光学史上的那些人儿--- 阿拉果
第二十章 阿拉果光学
《阿拉果光学》
棱镜破雾微粒散，振波偏振证横观。
泊松亮斑证分明，偏振旋转磁光现。
1 阿拉果与光的故事
在19世纪初的法国，科学界正经历着一场关于光的本质的激烈争论。光究竟是由微小粒子构成，还是以波动的形式传播？这个问题困扰了科学家们数百年。而在这场争论中，Francois Arago（弗朗索瓦·阿拉果）的名字注定要被铭记。
1806 年的西班牙海岸，20 岁的弗朗索瓦・阿拉果正蜷缩在马略卡岛的山洞里。他的望远镜镜片上凝结着晨露，羊皮卷里的测量数据被海风掀起一角。作为法国经度局最年轻的测量员，他与毕奥的任务本是绘制子午线弧，却因法西战争陷入绝境。当地渔民怀疑他的天文观测是法军的信号，将他囚禁在贝尔韦尔城堡。在潮湿的地牢里，阿拉果用炭笔在囚服内侧记录星光折射的角度，那些潦草的数字日后将成为波动说的关键证据。
阿拉果早年受拉普拉斯学派影响，坚信光的微粒说。1808年，他与毕奥（Biot）合作研究大气折射，试图验证拉普拉斯关于大气分层结构的假设，但实验结果却揭示了温度和压强对折射的影响，暗示微粒说的不足。
1810年，他设计了一个实验，试图通过观测恒星光的折射角来验证光速是否因恒星的运动而不同。然而，实验结果并未如他所愿，折射角并未显示出任何差异。尽管如此，阿拉果并未放弃，他继续探索光速与介质的关系。
1811 年的巴黎科学院会议上，阿拉果展示了令人震惊的实验：当石英晶体被置于偏振光路径中，光线的振动面竟如蛇般蜿蜒扭转。这个后来被称为 "旋光性" 的现象，让他意识到光的波动可能具有更深层的对称性。为了观测天空散射光的偏振模式，他发明了第一台便携式偏光镜，在卢森堡公园的梧桐树下，发现了蓝天中隐藏的偏振光网络。
1813年，阿拉果与珀蒂（Petit）测定不同物质的折射率，发现其与密度无关，直接动摇了微粒说的理论基础。与此同时，他接触到托马斯·杨的干涉理论，逐渐意识到波动说的优越性。
1815年，菲涅耳提交关于衍射的论文时，阿拉果成为其坚定的支持者。他不仅协助菲涅耳改进实验，还共同发表《关于偏振光线的相互作用》一文，提出“偏振光干涉”现象，证明光是一种横波。尽管阿拉果因对横波理论的保留态度未在最终论文署名，但他与菲涅耳的合作为波动说奠定了实验基础。1818年，泊松根据菲涅耳的理论推导出一个看似荒谬的结论：小圆盘的阴影中心会出现一个亮点。
阿拉果被他孜孜不倦的好奇心所驱使，接受了挑战。 他煞费苦心地制作了他的实验。 他找到一个完美的球形钢球轴承，小心翼翼地抛光成镜面般的光泽。 他建造了一个精确对齐的装置，将它的阴影投射到一间黑暗房间里的远处屏幕上。 该装置极其敏感； 即使是最轻微的振动也会扭曲结果。
日复一日，夜复一夜，阿拉果在天文台里辛勤劳作，调整光源，一丝不苟地测量阴影的强度。 怀疑啃噬着他。 菲涅耳真的可能是对的吗？ 他是否在追逐一个幽灵，一个没有现实基础的数学异常现象？
然后，在一个清新的秋夜，在经过数周艰苦的工作后，它发生了。 它就在那里，在阴影的正中心微弱地闪烁着——一个微小而耀眼的光点。 它是如此的微弱，如此容易被错过，但却不可否认地存在着。 阿拉果倒吸了一口气。 他花了剩下的时间一丝不苟地记录他的观察结果，仔细检查他的测量结果，并确保没有其他可能的解释。
第二天早上，阿拉果向法国科学院展示了他的发现。 当他展示他的仪器并演示这一非凡的现象时，房间里一片寂静。 老牌怀疑论者的面孔，包括泊松本人，慢慢地变成了惊讶的表情。 曾经被嘲笑为荒谬的“泊松亮斑”，现在成为了光波动性的无可辩驳的证据。
1838年，阿拉果开始设计一个判决性实验，计划直接比较光在空气、水和玻璃中的传播速度。然而，1848年的法国革命和他自身的健康问题使实验未能完成。幸运的是，他的设计后来被傅科和菲索改进，并成功验证了光速与介质的折射率成反比，从而彻底否定了微粒说。
晚年的阿拉果常坐在巴黎天文台的圆顶下，看着自己设计的半球形旋转观测台缓缓转动。他或许不知道，在遥远的东方，中国的 "透光镜" 正引发西方科学家的好奇 —— 那些刻着神秘花纹的青铜镜，其成像原理竟与他研究的光的波动性不谋而合。1853 年，这位终身未婚的科学家在巴黎逝世，留下了跨越政治与科学的传奇。如今，以他名字命名的 "阿拉果望远镜" 正在太空中捕捉更清晰的宇宙图像，而光的故事，仍在延续。
2 阿拉果的光学理论
阿拉果是一位极具影响力的法国物理学家、天文学家和政治家。与杨或马吕斯不同，阿拉果并没有发展出一个单一的、全面的“光学理论”。 相反，他在光学领域做出了许多关键的实验贡献，尤其是在偏振、干涉和光的波动理论方面。 他还积极倡导波动理论，帮助巩固了它在科学界的地位
2.1 泊松亮斑试验
1818 年，法国科学院举办了一场比赛来解释衍射现象。 西莫恩·德尼·泊松（Siméon Denis Poisson），一位著名的数学家和光微粒理论的支持者，推导出菲涅尔波动理论的一个看似荒谬的结论：在一个完美的圆形不透明物体的阴影中心应该出现一个亮点。泊松认为这是一个归谬法——一种逻辑矛盾，证明波动理论是错误的。 然而，阿拉果也是评审委员会的成员，他决定进行实验。
阿拉果何时观察到圆形阴影中的微小亮斑以及当时在场人员的具体情况已不可考。但最终的演示很可能经过精心策划，几乎可以确定是通过极具戏剧性的手法呈现的——目的是给在场的光微粒理论支持者拉普拉斯和比奥，以及因成功预测了这一异常现象而荣幸的泊松等人留下深刻印象。这场演示取得了预期效果：菲涅耳凭借其积分计算的卓越能力获得了奖项。然而，泊松及其他发射理论支持者仍固执地否认这一现象能证明光的波动性。
图1 阿拉果（泊松亮斑）根据惠更斯-菲涅耳原理，从物体平面散射出来的波路对建设性地叠加在不透明圆盘阴影的中心形成一个亮点。
2.22 干涉试验
在1816年至1818年间——此时菲涅耳和阿拉果已经相识，但菲涅耳尚未提交其获奖论文——阿拉果意识到，在杨氏双缝实验中分离开的两条路径，可以创造一个独特的机会：让其中一条路径的光通过空气，而另一条路径的光则穿过折射率不同的透明材料。例如，可以在其中一个缝隙上覆盖一片薄云母，而另一个缝隙保持无遮挡。
图2 阿拉果干涉仪
阿拉果和菲涅耳在巴黎天文台共同进行了这项实验，他们发现干涉条纹的图案发生了显著位移。根据光的波动理论，这一位移表明波前在观测平面上的到达时间出现了延迟——这是由于云母的折射率减缓了光速所致。阿拉果与菲涅耳的这项实验是历史上第一个干涉仪，首次利用干涉效应来测量材料特性（如折射率）。
那次简单的双缝实验的次年，阿拉果设计出一种更为精密的干涉仪，能够测量长路径中折射率的微小变化。他将点光源置于透镜的前焦平面处，随后在透镜后方遮挡光线，形成两束平行的细光束。其中一束穿过装有潮湿空气的铜管，另一束则沿相邻装有干燥空气的铜管传播。经过玻璃板后，两束光被透镜聚焦并合成一束。
尽管从今天的角度看阿拉果的干涉仪显然具有重要应用价值，但当时它只是一个针对特定问题的一次性实验，随后被弃置了近三十年。部分原因在于其光的利用率极低：从单一明亮光源中仅提取出两束细弱的光，形成的干涉条纹极其微弱，以至于需要人类眼睛的极高灵敏度才能在光束重叠的狭小区域观测到条纹。
这一缺陷后来被菲涅耳消除。他设计了一种光学装置，利用两个略微倾斜的镜面将所有光线捕获，从而产生可以在大面积上观察到的明亮干涉条纹。这种明亮的宽场干涉仪在光学物理学家著名搭档菲佐（Fizeau）和傅科（Foucault）首次演示光的时域相干性时发挥了重要作用。
干涉效应长期面临的一个难题是，干涉效应对外部路径长度差异的极端敏感性。即使在最佳条件下，使用最明亮的光源，也只能在主干涉峰的两侧各检测到大约六条干涉条纹。这一限制的根源在于白光的宽频带特性——它由多种不同波长的光组成。人们曾尝试通过彩色滤光片过滤白光，使其更接近单色光，但此过程会损失大量光强。
佐（Fizeau）和傅科（Foucault）针对这一问题提出了一个精妙的解决方案：利用菲涅耳透镜（反射镜）在保持高光强的同时制造光程差异，随后通过棱镜将干涉光束分散成光谱。他们借助一组透镜，将这些光谱重新聚焦到放置感光板的观测平面上。最终，实验呈现出一幅被数千条干涉条纹覆盖的明亮彩色光谱。即使光程差异达到7000个波长（数毫米量级），仍能观测到干涉条纹。这一实验首次展示了经典权衡关系——频谱带宽与时间相干长度之间的相互制约。
图3菲索和福柯的光谱干涉测量装置
菲佐和傅科并未止步于此，他们进一步拓展了对光谱长波段的测量——通过使用微型温度计首次观测到了红外光的干涉效应。他们还在系统中引入偏振晶体，首次展示了由偏振而非强度差异形成的干涉条纹。菲佐与傅科的这些实验远超菲涅耳的研究范畴，开创了如今蓬勃发展的相干光学领域。光谱干涉测量法（spectral interferometry）现已成为表征飞秒激光脉冲的关键技术，并使通过光谱域光学相干断层扫描（spectral-domain optical coherence tomography）在半透明介质内部成像成为可能。
附20阿拉果简介
弗朗索瓦·阿拉果François Arago（1786年2月26日—1853年10月2日）是法国著名的物理学家、天文学家和政治家，出生于法国埃斯塔热勒，卒于巴黎。他是19世纪法国科学界的杰出代表，对光学、电磁学和天文学等领域做出了重要贡献。
他的人生经历丰富多彩，既有科学上的辉煌成就，也有政治上的热情参与，还曾有过充满冒险的经历。
1786年出生于法国南部埃斯泰热勒（Estagel）的一个中产阶级家庭。他的父亲是一位律师和数学家，从小就对阿拉果进行了良好的教育。
1795年，阿拉果全家迁居佩皮尼昂市，他在那里完成了基础教育。
由于他立志要当拿破仑军队炮兵军官，决心上综合工科学校，于是他在15岁时就只身去巴黎自学，2年半内他掌 握了考试所需的一切知识，还学习了L·欧拉（Euler）的无限小量分析、拉格朗日（Lagrange）的解析函数理论和分析力学、拉普拉斯（Laplace）的天体力学，使主考人蒙日（Monge）大吃一惊，最后，蒙日给了他最高的评语。阿拉果1803年底入学，1804年经S·D·泊松（Poisson）推荐担任了巴黎天文台的秘书，从而认识了拉普拉斯等名人。
1806年毕业，阿拉果以第一的成绩从综合工科学校毕业，他毕业后担任了经度局秘书 ；同年和毕奥（Bilt）一起参加远征西班牙的大地测量队。阿拉果和毕奥受托测完西班牙东北部最危险和艰苦的一段，到1808年测定福尔门特拉岛纬度后，毕奥回国，留下阿拉果完成该岛和马略卡、伊萨维三岛的三角测量。这时法西战争爆发，阿拉果在马略卡岛山上点燃的测量用火堆，被误认为是引法军入侵的信号，1808年6月阿拉果被捕并被囚禁在岛上的要塞里。7月28日，阿拉果从监狱逃离。8月3日，他冒险潜入阿尔，乔扮成江湖商人，乘船回马赛。18日船近港口时，阿拉果又被西班牙海盗截回，囚禁3个月后才释放。坐船再赴马赛，又被北风吹到阿尔及利亚的布日伊湾。由伊斯兰阿訇带路循陆路到阿尔及尔，途中多次遇到狮子骚扰。阿拉果在阿尔及尔住了６个月，才乘船到马赛，又受到检疫隔离，在隔离期间，他最先收到了洪堡（Humboldt）的贺信，回巴黎后两人就住在一起，开始了他们之间长达４０年的深醇友谊。
1818-1819年阿拉果又和毕奥一起在英格兰和苏格兰进行大地测量，对利兹和设德兰群岛进行科学考察。在拿破仑帝国快设落时，阿拉果曾筹划去美洲新大陆从加拿大考察到智利南端的含恩角，虽然最终没有能够实现，但他不怕艰苦勇于冒险的性格，由此可见一斑。
1845年，他鼓励天文学家勒威耶（Urbain Le Verrier）计算天王星轨道异常，促成海王星的发现，并称勒威耶为“用笔尖发现行星的人
1848年法国二月革命后，他出任临时政府首脑，废除殖民地奴隶制，倡导免费义务教育，将科学精神注入公共政策。
1850年，阿拉果因失明退出科研一线，但仍通过口述指导实验。1853年逝世后，巴黎以135块青铜牌标记他参与测定的本初子午线，成为科学与文化的象征7。其名被用于月球环形山、火星地貌及小行星，科学精神则通过菲涅耳、法拉第等后继者延续
阿拉果的性格充满矛盾：他既有对抗权威的勇气（如挑战拉普拉斯学派），也有理论保守性（如对横波假设的犹豫）。他的生涯印证了科学革命的复杂性——真理往往在实验、辩论与个人遗憾中诞生。
