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菲涅耳與光的波動性
邱韻如 長庚大學 [email protected]前言
繼 2005 世界物理年、2009 全球天文年、 2011 國際化學年之後，聯合國教科文組織將 2015 年訂為國際光之年(International Year of Light and Light-based Technologies，簡稱為IYL2015)[1]，希望以此紀念千年來人類在光 領域的重大發現及各種光技術的發展。全球 各地將在這一年舉辦各種活動，帶領人們認 識光及光對人類的貢獻，並以幾個具有里程 碑的指標性週年慶[2] 來引領這一年的活動。 其中的「兩百週年慶」是尊崇法國科學家菲 涅耳(Augustin Fresnel,1788~1827)在 1815 年 對光的波動性的貢獻。 說到光的波動性，大多數人可能會立刻 想 到 惠 更 斯 (Huygens,1629~1695) 以 及 楊 格 (Thomas Young,1773~1829)。說到菲涅耳， 認識他的人可能是因為菲涅耳透鏡。菲涅耳 和光的波動性有什麼關係呢？本文先從光的 繞射現象開始，看看科學家們如何在微粒說 與波動說的爭論中一步一步探索光的本質， 以及菲涅耳如何讓光的波動性重出江湖，進 而讓科學界接受。
光被障礙物打成碎片
最早觀察到光的繞射現象的是義大利耶 穌會教士格里馬迪(Grimaldi,1618~1663)[3]， 他把這個現象以拉丁字 diffringere 來命名， 也就是「成為碎片」的意思，但他並沒有對 此現象作進一步的物理解釋。此現象在他過 世後才被發表(1665 年)，牛頓重複他的實驗 進行研究，並用微粒說來解釋。在當時，雖 然虎克和惠更斯都積極主張光是波動，但是 直到十九世紀初，大部分的科學家還是支持 牛頓的微粒說觀點。楊格的波動說不被認同
精通各國語言的英國醫師楊格(Thomas Young,1773~1829)，對光的研究起於對眼睛 構造與光學特性的探究，並同時對聲音的傳 播也有研究。1801 年他放棄行醫，擔任英國 皇家研究院[4]的全職教授，做了許多光的研 究及實驗，還有一系列通俗演講[5]。1800 年 1 月，他發表波動理論的第一篇論文[6]，用干 涉原理來解釋聲音和光的現象，1803 年更進 行著名的雙狹縫實驗。他的波動說受到很多 學者的抨擊，雙狹縫實驗也不受到青睞，楊 格之後也就轉換跑道，不再進行光的研究。菲涅耳讓光的波動性重出江湖
法國工程師菲涅耳，從 1815 年初開始研 究光的波動性質，工程師出身的他，製作了 很多透鏡，並設計不同的裝置，製造干涉條 紋，推導出許多公式去解釋反射、折射、雙 折射及偏振現象，由此嘗試去解釋光繞射的生活與物理
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55 現象。當年 10 月 25 日，他提交了他的第一 篇關於光的性質的論文，這篇論文有 25 頁， 圖 1 是第一頁。他所做的這些實驗，楊格早 已做過，且於 1800~1804 年間撰寫數篇論文 及演示實驗，論述光的波動理論，但在當時 的時空背景下，並沒有多少人理會楊格的想 法。菲涅耳在做這些實驗時，並不知道楊格 已有相關的研究及演示實驗。 當時法國科學院的院士阿拉戈(Arago, 1786~1853)[7]在閱讀研究 1815 年這篇論文之 後，成為法國第一個改信波動說的學者，並 把菲涅耳的論文寄給英國的楊格，楊格也因 此重拾光的研究。當時許多重視數學推導的 學者如拉普拉斯(Laplace,1749~1827)、泊松 (Poisson,1781~1840)等都覺得菲涅耳的數學 推導不嚴密而不願接受他的理論。在反對意 見的刺激，以及與楊格的通信討論之下，菲 涅耳做了更多的努力，應用數學分析把波動 理論弄得更完整，其中他採用了惠更斯在 1678 年 提 出 的 點 波 源 原 理 並 加 以 發 揚 光 大。這個所謂的「惠更斯原理」，就是每個波 前都可以看成是許多點波源組成的原理，後 來被稱為 Huygens–Fresnel principle。1818 年，菲涅耳提出一篇關於繞射的研究報告， 並於次年獲得法國科學院 (French Academy of Sciences) 的大獎。 擱置光的波動研究達十多年的楊格，因 菲涅耳而重啟研究。原本被抨擊得體無完膚 的波動理論，因為菲涅耳而重出江湖，得到 更完整的論述。 1821 年菲涅耳與阿拉戈合作研究光的 偏振，肯定光是一種橫波，兩年後他發現圓 偏振光和橢圓偏振光，並以光波動理論解釋 偏振面的旋轉。不過，當時科學界對光的性 質仍然沒有統一的見解，直到 1849 年，傅科 (Foucault,1819~1868) 與 菲 佐 (Fizeau,1819~ 1896)兩人測量出光在水中的速度比在空氣 中慢，才使得光波動說獲得決定性的勝利。
讓透鏡瘦身 燈塔光遠傳
1819 年，菲涅耳被提名為「燈塔委員」， 1822 年他將傳統的透鏡做了改良，不僅節省 了許多透鏡的材料重量，還讓光束更強照得 更遠(圖 2)，至今仍被廣泛地使用於世界各地 的燈塔裡。這種「菲涅耳透鏡」已普遍出現 在我們的日常生活中，如攜帶方便的名片透 鏡、投影機或許多燈光的鏡頭等等。天妒英才 留名鐵塔
菲涅耳於 1823 年當選為法國科學院的 會員，並於 1825 年成為英國倫敦皇家學會的 會員。但天妒英才，菲涅耳在 1827 年罹患肺 結核而英年早逝，得年僅 39 歲。在他有生之 年，他對於光學所做出的貢獻並沒未獲得學 術界普遍的認知。他的許多論文，一直等到 他往生後多年，才開始被法國科學院發表印 行。 在艾菲爾鐵塔上刻有 72 位知名法國科 學家及數學家的名字，本文所提到的菲涅 耳、阿拉戈、拉普拉斯、泊松、傅科、菲佐 等都留名於此。56
附註
[1].IYL2015 官網：http://www.light2015.org/Home.html
[2].這些里程碑週年慶包括 1015 年阿拉伯學 者海什木(Ibn Al-Haytham 或稱 Alhazen, 965~ 1040)發表五卷本光學著作、1815 年 菲涅耳提出的光的波動概念、1865 年馬克 斯威爾提出的光電磁傳播理論、1905 年愛 因斯坦的光電效應理論和 1915 年廣義相 對論，以及 1965 年彭齊亞斯和威爾遜發現 宇宙微波背景等。 [3].順便一提，在 1640~1650 期間，格里馬迪 與 Riccioli(1598-1671)進行了許多自由落 體與單擺的實驗，支持與肯定伽利略的研 究。
[4].皇家研究院(Royal Institution,簡稱 Ri)成 立於 1799 年，鑑於當時英國皇家學會 (Royal Society)已淪為倫敦的社交俱樂部 而成立的推展科學的機構。Ri 設有講堂和 實驗室，定期舉辦公開科普演講。楊格是 第二任教授，任期不到二年。直到 1803 年戴維(Davy,1778~1829)接任第三任教授 後，Ri 演講大為轟動，他於 1821 年任用 法拉第(Faraday,1791~1867)為實驗助理， 法拉第在此揮灑一生。1973 年起，Ri 設置 法拉第博物館供民眾免費參觀。 [5].這些演講於 1807 年集結成冊，其中第 23 講引用干涉概念來解釋水波，此裝置就是 目前學校水波槽實驗的原型。還有經典的 光的雙狹縫演示實驗，在第 39 講。(The Prism and the Pendulum by Robert Crease, 2003) [6].阿拉戈(Arago,1786~1853)早年參加過子 午線的測量工作，之後大都在巴黎科學院 及巴黎天文台服務，他在科學上有許多成 就，除了拔擢菲涅耳之外，他在 1812~1846 年間一系列科普講座，對天文學的推廣有 很大貢獻。
[7].Thomas Young, Outlines of Experiments and Inquiries Respecting Sound and Light. The Philosophical Transactions of the Royal Society,London. published 1 January 1800.
