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第47章 其他光学家(1)

伊本·海赛木(约965~约1039年),中世纪阿拉伯学者。又译为阿尔哈曾,曾简译为海桑。在光学、医学、天文学和数学方面都有重大贡献。11世纪初,埃及流行眼病,当时在开罗的天文中心工作的伊本·海赛木根据医师们的经验,特别是通过他自己的一些有关反射、折射、暗室视觉等实验,仔细研究了人的视觉。在其名著《光学宝鉴》中,他否定了人眼对外发光的旧视觉观念及提出由物体发出光线锥而引起视觉的观点;他所提出的人眼结构和眼球内的三种透明体的名称沿用至今;他明确入射光与反射光共面及球面反射成像原理;他还讨论了光之折射和玻璃球的放大像的作用。除《光学宝鉴》外,他还有几何学著作及一些保留下来的手稿,其他均已散失。

笛卡尔

笛卡尔

勒奈·笛卡尔(1596~1650年),出生于法国,是法国数学家、科学家和哲学家。

笛卡尔不仅在哲学领域里开辟了一条新的道路,同时笛卡尔又是一勇于探索的科学家,在物理学、生理学等领域都有值得称道的创见,特别是在物理学方面做出了有益的贡献。从1619年读了约翰尼斯·开普勒的光学著作后,笛卡儿就一直关注着透镜理论,并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率以及磨制透镜的研究。他把光的理论视为整个知识体系中最重要的部分。

笛卡尔运用他的坐标几何学从事光学研究,在《屈光学》中第一次对折射定律提出了理论上的推证。他认为光是压力在以太中的传播,他从光的发射论的观点出发,用网球打在布面上的模型来计算光在两种媒质分界面上的反射、折射和全反射,从而首次在假定平行于界面的速度分量不变的条件下导出折射定律;不过他的假定条件是错误的,他的推证得出了光由光疏媒质进入光密媒质时速度增大的错误结论。他还对人眼进行光学分析,解释了视力失常的原因是晶状体变形,设计了矫正视力的透镜。

威里布里德·斯涅耳

威里布里德·斯涅耳(1591~1626年),荷兰莱顿人,数学家和物理学家,曾在莱顿大学担任过数学教授。斯涅尔最早发现了光的折射定律,从而使几何光学斯涅耳的精确计算成为了可能。斯涅耳的这一折射定律(也称斯涅耳定律)是从实验中得到的,未做任何的理论推导,虽然正确,但却从未正式公布过。只是后来惠更斯和伊萨克·沃斯两人在审查他遗留的手稿时,才看到这方面的记载。

首次把折射定律表述为今天的这种形式的是笛卡儿,他没做任何的实验,只是从一些假设出发,并从理论上推导出这个定律的。笛卡儿在他的《屈光学》(1637)一书中论述了这个问题。

折射定律是几何学的最重要基本定律之一。斯涅耳的发现为几何光学的发展奠定了理论基础,把光学的发展大大地推进了一步。

惠更斯

克里斯蒂安·惠更斯(1629~1695年)于1629年4月14日出生于海牙,是荷兰著名的物理学家、天文学家、数学家、他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱,是历史上最著名的物理学家之一,他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献。

惠更斯

1645~1647年在莱顿大学学习法律与数学;1647~1649年转入布雷达学院深造。在阿基米德等人著作及笛卡儿等人直接影响下,致力于力学、光波学、天文学及数学的研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来,透彻地解决问题。因此,在摆钟的发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。

惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在,却不能对这些现象做出解释,也就是它可以确定光波的传播方向,而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此,惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。直到后来,菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充,创立了“惠更斯—菲涅耳原理”,才较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。

1678年,他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说,如果光是微粒性的,那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这一现象,而且利用微粒说解释折射现象,将得到与实际相矛盾的结果。因此,惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说,建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上,他推导出了光的反射和折射定律,圆满地解释了光速在光密介质中减小的原因,同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象,认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。

菲涅耳

菲涅耳(1788~1827年)是法国物理学家和铁路工程师。1788年5月10日生于布罗利耶,1806年毕业于巴黎工艺学院,1809年又毕业于巴黎桥梁与公路学校。1823年当选为法国科学院院士,1825年被选为英国皇家学会会员。1827年7月14日因肺病医治无效而逝世,终年仅39岁。

菲涅耳菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射。他以惠更斯原理和干涉原理为基础,用新的定量形式建立了惠更斯—菲涅耳原理,完善了光的衍射理论。他的实验具有很强的直观性、敏锐性,很多现仍通行的实验和光学元件都冠有菲涅耳的姓氏,如:双面镜干涉、波带片、菲涅耳透镜、圆孔衍射等。另一成就是偏振。他与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉,确定了光是横波(1821);他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823),用波动说解释了偏振面的旋转;他推出了反射定律和折射定律的定量规律,即菲涅耳公式;解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象,奠定了晶体光学的基础。

菲涅耳由于在物理光学研究中的重大成就,被誉为“物理光学的缔造者”。

伦琴

伦琴威尔姆·康拉德·伦琴(1845~1923年),德国物理学家,1845年3月27日生于莱纳普,三岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。1865年迁居瑞士苏黎世,伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系,1868年毕业。1869年获苏黎世大学博士学位,并担任了物理学教授A.孔脱的助手;1870年随同孔脱返回德国,1871年随他到维尔茨堡大学,1872年又随他到斯特拉斯堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长,1900年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。1923年2月10日在慕尼黑逝世。

伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作,如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他发现X射线而赢得了巨大的荣誉,以致这些贡献大多不为人所注意。

1895年11月8日,伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。经过几天废寝忘食的研究,他确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致。因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少,所以他称它为X射线,表示未知的意思。同年12月28日,《维尔茨堡物理学医学学会会刊》发表了他关于这一发现的第一篇报告。他对这种射线继续进行研究,先后于1896年和1897年又发表了新的论文。1896年1月23日,伦琴在自己的研究所中作了第一次报告,报告结束时,用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片;克利克尔带头向伦琴欢呼三次,并建议将这种射线命名为伦琴射线。

此时,发现X射线的新闻在全世界引起了巨大的震动。当时人们对这些射线的无限惊讶:几乎任何东西对它们来说都是透明的,用这些射线人们可以看见自己的骨骼。没有肉但是带有指环的手指,十分清楚,像嵌入体内的子弹一样。人们立即就领悟到它对医学的影响。1月23日,伦琴为物理医学学会作了关于他的发现的惟一的一次公开讲演。人们以暴风雨般的掌声向他致意。以那时的知识来说,伦琴关于X射线的工作是完全够格的了,但他没有理解X射线的性质。1895年伦琴的著名论文的最后,他写道:这些新射线不会是以太的纵振动吧?我必须承认在我的研究过程中我越来越相信了,因此对我来说应该宣布我的猜测,虽然我很清楚这种解释需要进一步的确证。这个“进一步的确证”始终没有得到,而且,花了整整十六年,依靠了马克斯·冯·劳厄和弗里德里希以及克尼平的工作才解决了关于X射线性质的争论。

在发现了X射线后的数月中,伦琴收到了来自世界各地的讲学邀请,但是除了一个例外他谢绝了所有的邀请,因为他要继续研究他的X射线。他给请他去演示新射线的同行们写了短信,表达他的歉意,说明他没有时间作任何报告或表演。惟一的例外是对皇帝,1896年1月13日,他给皇帝演示了他的X射线。要给皇帝表演这件事一直使伦琴感到紧张,“我希望我使用这个管子时将托皇帝之福,遇上好运气”,他说,“因为这些管子是非常易碎的,经常被损坏,抽空一根管子需要四天。”但是没有出什么事。伦琴收到的这样一种去宫廷的邀请,除了讲演和演示之外,还要与皇帝一同进餐,接受一枚勋章(二级王冠勋章)。离去时,为了表示对陛下的尊敬,还得退着走出来。关于这一点,理查德·威尔斯泰特,对叶绿素复杂机制作出解释的有机化学家说,他和氨的合成者弗里茨·哈贝尔,在取得了他们的发现后,也曾期待着皇帝的邀请。所以他们练习倒退着走路。威尔斯泰特是一位精制瓷器的收集者,在他们练习倒走的房间里有一只昂贵的瓷瓶,不出所料,他们的练习以这只瓷瓶被打碎而告终。虽然他们没有受到皇帝邀请,但他们所做的练习并不是徒劳无益的。后来两人都获得了诺贝尔奖。按照礼节,在他们从瑞典国王手中接过奖品之后必须倒退着走路。伦琴发现了X射线之后,物理学家和医学界人士赶紧研究这种新的射线,在1896年已有1000篇以上关于这个课题的论文。在1896至1897年间,伦琴自己只写了两篇关于X射线的文章。然后,他回到原先研究的课题上去,在以后的24年里写过7篇只引起短暂兴趣的文章,而把对X射线的研究让给了其他年轻的新生力量。对他这样的做法的理由,人们只能推测而已。1901年伦琴获得了第一个物理学诺贝尔奖。1900年他已搬到了慕尼黑,在那里,他成为实验物理研究所所长。1914年,他在著名的德国科学家表示他们与军国主义德国休戚相关的宣言上签了名,但后来他对此感到懊悔。在第一次世界大战期间和随后的通货膨胀中,他相当苦恼。1923年2月10日,伦琴在慕尼黑逝世,享年78岁。

阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊

迈克尔逊(1852~1931年)因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献,被授予了1907年度诺贝尔物理学奖。

迈克尔逊,1852年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺(现属波兰),童年随父母随居美国。受旧金山男子中学校长的引导,迈克尔逊对科学特别是光学和声学发生了兴趣,并展示了自己的实验才能。1869年被选拔到美国安纳波利斯海军学院学习。毕业后曾任该校物理和化学讲师。1880~1882年被批准到欧洲攻读研究生,先后到柏林大学、海德堡大学、法兰西学院学习。1883年任俄亥俄州克利夫兰市开斯应用科学学院物理学教授。1889年成为麻省伍斯特的克拉克大学的物理学教授,在这里着手进行计量学的一项宏伟计划。1892年改任芝加哥大学物理学教授,后任该校第一任物理系主任,在这里他培养了对天文光谱学的兴趣。1910~1911年担任美国科学促进会主席,1923~1927年担任美国科学院院长。1931年5月9日因脑溢血于加利福尼亚州的帕萨迪纳逝世,终年79岁。