民众大舞台——风俗世情

3. 法国科学院的悬赏

　　“隔墙有耳”讲的是说话的人要防备有人偷听。这说明声音是可以绕过墙而传播； 水面上的木片、树枝也不能阻挡水波的传播。这种现象就是波的衍射或波的绕射。波的衍射和波的干涉都是波的基本特征。

　　衍射现象的发现是意大利科学家格里马第发现的。格里马第在世时， 并未公开这一发现， 他死后三年( 1665 年)， 人们才公布这一发现。

　　格里马第发现， 在一束窄的光线路径上放一个小的物体， 物体投射在屏上的像是不清晰的， 有一个模糊的边缘。他注意到， 这一发现同光的直线传播定律相矛盾。

　　牛顿和惠更斯都知道格里马第的发现， 但是衍射与光的波动说有什么关系， 他们都未觉察。利用光的波动说研究衍射现象是100 多年以后的事。

　　衍射是光的重要性质， 为了彻底弄清楚这个问题， 1817 年3 月份， 法国科学院悬赏， 要求从实验和数学两个方面取得进展。科学院成立了一个五人委员会， 他们都是著名的科学家。这五位是： 安培、拉普拉斯、泊松、盖・吕萨克和阿拉果。其中前三位主张光的微粒说， 阿拉果主张光的波动说， 盖・吕萨克居中。

　　在阿拉果的劝说下， 菲涅尔下决心应征并开始了这一课题的研究。

　　菲涅尔早年就读于巴黎综合工艺学校。毕业后来到了桥梁部队做勤务工作。除了工程师的本职工作之外， 菲涅尔用业余时间进行光学衍射研究。

　　菲涅尔的衍射实验是让光线通过一个狭缝， 在屏上形成像。当光源、狭缝和屏的位置确定后， 改变狭缝宽度。

　　开始， 缩小缝的宽度， 在屏幕上形成的光斑也随着缩小。但是， 当狭缝宽度缩小到0. 1 毫米时， 屏幕上的光斑不但不缩小， 而且增大了。

　　亮度变化也是明显的， 原来的光斑亮度是均匀的， 而当狭缝缩小到0. 1 毫米后， 变为一系列明暗条纹( 相对单色光源) 或彩色条纹( 相对复合光源) 。此外， 光斑的边缘也失去明显的界限， 变得模糊不清。

　　狭缝也可换小圆孔， 缩小小圆孔的直径， 在屏幕上也会出现明暗相间的圆形条纹。

　　菲涅尔的单缝衍射实验中， 狭缝距光源和屏幕的距离都是有限的。人们把这种衍射称做菲涅尔衍射。差不多与此同时， 德国物理学家夫朗和费也对衍射进行了研究。与菲涅尔的装置不同的是， 夫朗和费利用的是平行光。这相当于光源与狭缝和屏与狭缝的距离是无限大。这种衍射实验称做夫朗和费衍射。

　　菲涅尔的衍射现象已不能用惠更斯原理加以解释。为此， 菲涅尔对惠更斯原理提出了修改， 新的原理被后人称做惠更斯-菲涅尔原理。惠更斯-菲涅尔原理还成功地解释了光的直线传播定律。

　　菲涅尔关于衍射的研究对波动说是一个重要的发展， 特别是论文中的计算值和测量值很吻合。尽管由于评选委员会的多数成员持微粒说， 他们还是仔细地审查了菲涅尔的论文。泊松注意到菲涅尔推导在某些条件下是很严格。他指出， 根据菲的理论， 用一个不透明的圆形物体遮挡光线， 在屏幕上可以形成一个亮斑。后来人们称它为“泊松亮斑”。

　　这的确是一个奇妙的现象， 而且与人们的经验大相径庭。更为重要的是， 泊松的问题对菲涅尔的理论无疑是一个极大的考验。菲涅尔很快就从实验上证实了泊松的“预言”。

　　这一证实， 给评委们留下了深刻的印象， 并最终使评委们放弃了最初的想法把奖金奖给了一个波动论者。