1816年7月14日,奥古斯丁-让·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)写给法国科学院一份《关于光衍射的报告--补充报告》(Supplément au premier Mémoire sur la diffraction de la lumière其中报告了他以二级波来解释光的衍射图案,这支持了光的波动理论。

直到20世纪早期,科学家在光到底是粒子还是波这个问题上,已经经历了几个世纪的分歧。艾萨克·牛顿就认为光是粒子,他宣扬自己的“微粒”(corpuscular)论。但到了19世纪早期,因为法国土木工程师菲涅耳的缘故,波理论又卷土重来。
菲涅耳出生于1788年,父亲是建筑师。菲涅耳的父母杨森派的教徒(Jansenists)。这是天主教的一个极端分支,因此菲涅耳在严格的宗教要求中长大。菲涅尔起初在家里接受教育。他并未展现学术天赋,到8岁还几乎不会阅读。这里也不排除法国政治局势不稳定的原因:1789年菲涅耳一岁的时候,革命者攻占巴士底狱,他五岁时雅各宾专政的恐怖统治开始。
菲涅耳12岁时,一家最终在卡昂(Caen)北部的村庄定居。他进了一所正规的学校,在那里发现了数学和科学。菲涅耳的数学和科学都很好,因此他决定学工程,一开始他在巴黎综合理工(École Polytechnique),后来到了国立路桥学校(École Nacionale des Ponts et Chaussées)。
结束学习后,菲涅耳效力于数个法国政府的土木项目。这些项目主要是修路,比如建造一条穿过法国两头连接西班牙和北意大利的路。1815年,拿破仑从厄尔巴岛流放地回来。当拿破仑带着部队回到巴黎,菲涅耳失去了工作,并且受到政治监控,因为他支持的是国王而非拿破仑。菲涅耳选择回到家乡,专注于自己的科学兴趣,其中最值得一提的就是光学。
100天后,拿破仑在滑铁卢被再次击败,国王路易十八登基。于是菲涅耳又回去做他的工程师,但他的光学研究没有停下来。他在托马斯·杨(Thomas Young)实验的基础上继续研究。很多人认为,杨的双缝实验证明了光具有波的本质。虽然当时教材并不倾向于这种理论,但菲涅耳通过自己做理论和实验,选择相信光是一种波。
菲涅耳对光的本质了解并不多,但他对衍射着了迷。类似一根细线这样的物体受光照后,会在阴影处创造出一组色带。当他把一张黑纸贴到衍射物的一个边上,光的亮带消失了。他用数学公式,基于衍射物后方的光路长度来预测亮带和暗带的位置。之后,他用同样的公式,来预测两面镜子反射光引起的干涉图案。

以上的这些,形成了菲涅耳1818年论文《关于光衍射的报告》(Mémoire sur la diffraction de la lumière)的基础。这些初步结果已于1816年7月发表。菲涅耳本来计划重构数学,以构建一个完整的理论来解释他的发现。但法国科学院(Académie des Sciences)1817年3月宣布,1819年的大奖(Grand Prix)将奖励衍射相关的最佳工作。因此菲涅耳赶在截止日期8月1日前,发表了包含自己完整理论的的论文。
那一年,大奖的评审包括弗朗索瓦·阿拉果(François Arago)西莫恩·德尼·泊松(Siméon-Denis Poisson)皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)。他们都是光“微粒”论的支持者。但泊松被菲涅耳的论文打动了。于是他沿着菲涅耳的理论做出了一个预测:如果平行光打到不透明的圆盘上,阴影处会有一个白点。此后的实验,支持了这一预测,菲涅耳因此获得了大奖。这是光波理论支持者的一次重大胜利。
泊松亮斑,验证了菲涅耳的理论

除了光学,菲涅耳还研究了灯塔通信。灯塔依赖光的反射,但在大雾天或风暴天,从船上很难看到远处灯塔的反射光。菲涅耳意识到,由于图
质量并不重要,不如用一个里面几乎什么都没有的透镜。于是,他设计了一种玻璃棱柱,由一个个环组成,有如一个巨大的蜂窝,然后把灯放到中央。这些棱柱会把灯发出的光集中成一束光,这束光能传播更远,在大雾天气更容易被看到。
菲涅耳的设计如此有效,直到20世纪中期还在灯塔中被广泛使用。曾有一段时间,菲涅耳透镜被用于汽车头灯。至今很多尾灯、备用灯以及太阳能厨具中还在用菲涅耳透镜。电影院和剧院也常常用到菲涅耳透镜,不仅因为光线更强,而且光强也更均匀。
菲涅耳透镜

菲涅耳1827年7月14日因结核症去世,时年39岁。
尽管菲涅耳获得了这么多结果,但他生前未能获得作为科学家的声望。他的很多论文在他逝世后才发表。但他获得了同伴的尊敬,他的名字被刻在埃菲尔铁塔上。不过,菲涅耳从未试图收获太多关注。他1824年写信给托马斯·杨“我从阿拉果、拉普拉斯、毕奥那里得到的称赞,所有加起来,也比不上我发现一项真理或者用实验确认一项计算来得有乐趣。
资料来源:

https://aps.org/publications/apsnews/201607/physicshistory.cfm
https://en.wikipedia.org/wiki/Augustin-Jean_Fresnel
拓展阅读:
Fresnel, Augustin. (1818) “Memoir on the Diffraction of Light,” The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. Woodstock, GA: American Book Company.
Fresnel, Augustin. (1819) “On the Action of Rays of Polarized Light Upon Each Other,” The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. Woodstock, GA: American Book Company.
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