對光學有一定了解的人對菲涅爾這個名字應該不會陌生，從菲涅爾折反射定律到菲涅爾波帶片，再到菲涅爾衍射，處處在提醒我們不要忘記這位科學家的偉大貢獻。那麼，歷史中的菲涅爾是一個什麼樣的人？他有著怎樣的生活經歷？做出了哪些留名科學史的成就呢？

▲ 菲涅爾肖像

本為工程師，半路搞科研

1788年5月10日，奧古斯汀·讓·菲涅爾出生於法國厄爾省布羅格利耶的一個建築師家庭。次年7月14日爆發了法國大革命的開端事件——攻佔巴士底獄。當菲涅爾6歲時，法國的局勢已經非常惡劣。菲涅爾父親的建築工作被迫停下，舉家搬遷至一個名叫馬修的小村莊裡生活。菲涅爾從小就體弱多病，在家裡接受母親的啟蒙教育。年少時菲涅爾並沒有表現出自己天才的一面，反而在學習上有些遲鈍，一直到8歲在閱讀上還存在障礙。但到了9歲似乎突然開了竅，開始展現出自己在科學技術上的天分，能獨立製作玩具弓箭和玩具槍。

1800年，12歲的菲涅爾開始在法國卡昂中央理工學院正式接受系統全面的教育，並逐漸顯露出驚人的智慧。那是他第一次學習科學的相關知識，並深深地愛上了數學這門神奇的學科。也是從那時起，他立下了未來要從事科學工程研究工作的遠大志向。而後經過2年巴黎綜合理工學院和3年國立橋路學校的課程學習與實踐薰陶，菲涅爾用優異的成績證明了自己的天賦，併成功取得了土木工程師資格證。

1806年畢業後，菲涅爾在政府機關擔任工程師，從事道路建設工作，但業餘時間也在進行自己感興趣的科學研究工作。1815年，拿破崙復辟，反對拿破崙的菲涅爾受到了迫害，被解除職務並關押了起來。同年滑鐵盧之戰，拿破崙戰敗，被二次流放，百日王朝終結，波旁王朝再次復辟，菲涅爾才重獲自由。恰恰是在被關押的這幾個月中，菲涅爾開始了幾項光學研究，其中關於衍射的研究甚至引發了光學革命。之前菲涅爾只是在業餘時間進行研究，而這次關押讓他全身心投入到光學研究中。其間，他還寫了一篇關於恆星光行差的論文，雖然這篇論文未能發表，但也是他工作中的一項重要成就，併為以後的進一步研究奠定了基礎。

波粒戰爭，出奇制勝

對於光究竟是波還是粒子，科學界有過兩次較為激烈的論戰，被戲稱為兩次波粒戰爭。第一次波粒戰爭見證了胡克與牛頓的恩怨，微粒說隨著牛頓的聲望而如日中天，統治了將近一個世紀；第二次波粒戰爭則是波動說的翻身仗，菲涅爾奇兵殺出，以一篇論文一舉奠定波動說的勝勢。

古希臘的德謨克利特提出了原子論，認為萬物由原子組成，同樣，人們傾向於把光看作細小微粒的流動，這一觀點被稱為微粒說。中世紀之後，隨著對聲波、水波等機械波的研究，人們開始假設光並不是一種物質粒子，而是由介質振動而產生的一種波，這一觀點被稱為波動說。機械波的傳播需要介質實現，而光能夠穿過幾乎是真空的太空，似乎並不需要任何媒介就可以前進，這與當時對波的認識相悖。為了擺脫這一難題，人們設想了一種看不見摸不著的物質——以太（Ether），將其作為光傳播的媒介。

▲ 泊松亮斑

第一次波粒戰爭主要在英國皇家學會內部展開。隨著波動說的興起以及自己的實驗觀測，皇家學會會員羅伯特·胡克在他1665年出版的《顯微術》中明確地支援波動說，波動說一時佔了上風。1672年，一位名叫艾薩克·牛頓的年輕人由於製造了一臺出色的望遠鏡而當選為皇家學會會員，準備在光學與儀器方面大展拳腳。牛頓在學會提交的第一篇論文是關於光的色散實驗，光的複合和分解被比喻為不同顏色微粒的混合和分開，該論文受到了光學權威胡克毫不留情的批評，牛頓勃然大怒，從此一生與胡克為敵。1704年，也就是胡克去世後次年，牛頓終於出版了他的鉅著《光學》，其中用微粒說解釋了光的種種現象，並且與牛頓力學體系結合在一起。從此，微粒說憑著牛頓的權威，統治了將近一個世紀。

第二次波粒戰爭隨著托馬斯·楊的雙縫干涉實驗而拉開了序幕。1807年，楊出版了《自然哲學講義》，第一次描述了那個使他名揚四海的實驗——楊氏雙縫干涉。微粒說的支持者一開始並不以為然，但他們逐漸認識到，使用微粒說確實很難解釋雙縫干涉現象。他們轉而以攻代守，指出偏振現象等當時波動說難以解釋的現象，雙方各執一詞，局面由此僵持。

最後決戰源於1818年法國科學院的一次懸賞徵文比賽，比賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線透過物體附近時的運動情況。競賽評委會由畢奧、拉普拉斯、泊松等當時知名的科學家組成，他們大都是微粒說的積極擁護者。從評委會的本意來說，他們或許是想透過微粒說來解釋光的衍射以及運動，以此來打擊波動說。

▲ 傳統透鏡到菲涅爾透鏡結構的變化

1819年，名不見經傳的年輕工程師菲涅爾在物理學家阿拉果和安培的鼓勵下，向徵文競賽組委會提交了一篇論文，這篇論文的核心就是後來被人們稱為惠更斯——菲涅爾原理的理論。在論文中，菲涅爾採用了光是波動的觀點，並透過嚴密的數學推理對衍射過程進行計算，極為圓滿地解釋了光的衍射問題，評委會成員也深深為之驚歎。泊松對菲涅爾的理論進行了仔細的審查，發現當把這個理論應用於圓盤衍射時，在陰影中間將會出現一個亮斑，泊松認為這是非常荒謬的，在影子中間怎麼會出現亮斑呢？這讓菲涅爾的論文差點被摒棄。在關鍵時刻，菲涅爾的同事、評委之一的阿拉果頂住了壓力，堅持要求進行實驗驗證，結果發現真的有一個亮點奇蹟般地出現在陰影的正中間，實驗與理論符合得相當完美！泊松計算的亮斑本來是用來質疑菲涅爾衍射理論的，最後反而成為支援這個理論的有力證據。圓盤衍射陰影中心的那個亮斑後來被誤導性地稱為泊松亮斑，更加增添了這一事件的戲劇性。這一仗改變了第二次波粒戰爭的局勢，吹響了波動說戰略大反攻的號角，菲涅爾也因此一舉成名。

由於波動說一直是假設光波為縱波，因此在解釋偏振問題時仍然困難重重。菲涅爾在1821年發表《關於偏振光線的相互作用》的論文，革命性地假設光是一種橫波，從而成功地解釋了偏振現象，克服了戰役中一個最難以征服的據點。

哥杜昂燈塔與菲涅爾透鏡

第二次波粒戰爭以波動說的勝利、微粒說的失敗而告終，但這並不是結束。麥克斯韋後來創立了電磁理論，人們認識到了光是一種電磁波。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出物質波假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。對光與物質本性的認識，我們還在路上，仍未到達終點。前人留給我們最寶貴的不是金銀財寶，而是這些珍貴知識的傳承，以及解決問題時的勇氣與智慧。

貢獻卓越，天妒英才

菲涅爾科學成就頗豐，主要在於之前提到的衍射與偏振兩方面。在衍射方面，他完善了惠更斯的波動理論，以干涉原理為基礎，用新的定量形式建立了惠更斯——菲涅爾原理，完善了光的衍射理論，這一理論在目前仍然被廣泛使用。在偏振方面，他與阿拉果一起確定了光是橫波；他發現了光的圓偏振和橢圓偏振現象，用波動說解釋了偏振面的旋轉；他推出了反射和折射定律的定量計算公式，即菲涅爾公式；他解釋了馬呂斯的反射光偏振現象和雙折射現象，奠定了晶體光學的基礎。

菲涅爾的實驗具有很強的直觀性、明銳性，很多現在仍通行的實驗和光學元件都冠有菲涅爾的姓氏，如菲涅爾雙面鏡干涉、菲涅爾波帶片、菲涅爾透鏡、菲涅爾圓孔衍射等。菲涅爾透鏡很有趣，它將較為厚重的透鏡變成了一塊薄薄的平板，開創了透鏡輕量化的先河。這一設計首先被應用到了燈塔上，1823年，第一枚菲涅爾透鏡被用在了吉倫特河口的哥杜昂燈塔上，透過它發射的光線可以在20英里（約32千米）以外被看到。目前在投影顯示、聚光聚能、航空航海、紅外探測等場景仍能看到菲涅爾透鏡的廣泛應用。

由於對光的本性研究以及波動光學理論的建立做出了卓越貢獻，1823年菲涅爾當選為法國科學院院士，1825年又成為英國皇家學會會員。但是這樣一位在物理光學領域功成名就的偉人卻長期飽受疾病折磨。1827年，他在獲得了人生中最後一項殊榮——倫敦皇家學會授予的“拉姆福德獎章”之後，就因結核病在巴黎附近的市鎮去世，年僅39歲。作為72位法國知名人士之一，菲涅爾的名字被刻於埃菲爾鐵塔上。英年早逝抹不去菲涅爾的偉大成就，波動光學史上永遠銘記他的非凡貢獻。