勒麦

勒麦于 1672—76 年间在巴黎观察了木星最近卫星的多次交食。这个木卫

约花 42 小时 30 分绕木星转一圈，每转一圈在其影锥中被交食一次（Histoire de l'Academle Royale des Sciences，1666—99，Paris，1733.anno 1676），设 A 是太阳（图 149）。BCDE 是地球轨道，F 是木星，GN 是这个木卫的轨道。勒麦注意到，当地球在轨道的 BC 段退离木星时，与它沿 DE 段趋近木星时相比，木卫的周期似乎变长了，各次交食的交替变慢了。他假定光速是有限的，因此解释了这个效应。他根据自己的数据推算出，光越过地球轨道半径需要时间约十一分，而光速必定约为每秒 48，000 里格（约为 193，120 公里或120，000 英里）。光以有限速度行进这个见解遭到勒麦的许多同时代人的拒斥，尤其是笛卡尔主义者，他们仍然相信光速无限。勒麦的假说最后为布莱德雷之发现光行差所证实（1726 年）。

图 149—勒麦对光速的测定

勒麦的几个同时代人修正了他所估计的光越过地球轨道半径所需的时间11 分，现在估计这个时间约为 8 分 20 秒。由于观察方法不完善以及地球轨道的实际大小拿不准，因而相应的以地球单位计的光速值也长期确定不下来。现在通常估计这个值为：在空气中约每秒 299，778 公里，在真空中约每秒 299，796 公里。

惠更斯(260)

勒麦的发现证实，光的传播是一个以有限速率进行的过程。寻常折射和双折射现象都表明，这个过程的速率随条件而变化。衍射和虹彩现象表明，这个过程是一种波动。惠更斯汲取了所有这些思想，并进而提出一个理论。这个理论虽然仅以为数不多的基本假设作为基础，但成功地解释了当时已知

的大多数光学现象，并把它们相互关联起来。惠更斯的理论是在他居留法国的那几年里制定的；他于 1678 年把它写信告诉了巴黎科学院，并在经过增补以后于 1690 年以《光论》（Traite de la Lumiere）为题发表。

图 150—光的传播

惠更斯（Traite，Chapter 1 ）认为，构成一个发光体的微粒把脉冲传送给邻近的一种弥漫媒质的微粒。这些脉冲（与声的脉冲不同）来自发光体的每个微粒，并以不规则的间隔发生。其次，光通过的这种媒质不是空气（因为光能够通过真空）；它是一种以太，由坚硬的弹性微粒组成，每个微粒都把它所接受到的脉冲传送给所有跟它相接触的微粒，但它本身并不经受任何永久的位移。这样，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。惠更斯从他对弹性球碰撞的研究获知，这样一群微粒虽然本身并不运动，但能够同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光柬能够彼此交叉而不发生任何交互干涉。由这些考虑可知，一个发光体，例如一支烛光的微粒 A、B C（图 150）每一个都发出它自己的一组同心球形子波。

图 151—光的球形子波

如果现在从一个点光源 A（图 151）发出的一个波在任意给定时刻到达位置 BG，那未在这波阵面中的微粒 bbbb 每一个都立即发出一个球形子波。除了在这些子波彼此加强的区域即面(261)CE 处而外，这些子波由于太弱而不会产生任何明显的效应。当越过 BC 所需的时间过去后，所有子波都触及面CE。因此，CE 是新的波阵面。如果 BG 是屏上的一个孔，那未在光锥 ACE 外面的点上，从 BG 发生的子波不会通统走到一起产生明显的共同效应，而是一一离散，错开不同的距离，结果不会产生察觉得出的效应。这样，阴影和光的直线传播便得到了解释；但是根据这种观点，应当有波返回而向光源传播，并且由于脉冲的旁向耗散，光线还应当经受严重的衰减，可是惠更斯忽视了这两点。

根据一个波阵面上的每一点都是一个基元子波的中心这条惠更斯原理，惠更斯立刻得出了光束反射（图 152）和寻常折射（Traite,Chapters II 和III）的作图法，他假定光在透明媒质中比在真空中行进得慢。惠更斯解释了光通过透明固体的事实，假想以太充满了固体微粒间的微孔。光波通过这种以太传播，但速度比在自由空间中慢得多，因为必须绕过固体微粒。然而，在双折射时，非常波既通过以太微粒也通过物质微粒传播。至于不透明的物质，它们包含阻尼以太振动的软微粒。

图 152—惠更斯的光反射作图法(262)

1670 年，惠更斯在巴黎期间，一个丹麦科学家伊拉斯姆斯·巴塞林那斯宣布在冰州石即方解石中发现双折射（ Ex-perimenta crystalli Islandici,Hafniae，1670）。通过这种物质的晶体所观察到的小物体显得是双重的，因为形成了两条折射光线，一条是寻常光线，服从斯涅耳定律，另一条是非常光线，不服从这定律。

惠更斯用他《光论》篇幅最长也是最重要的一章（第五章）来讨论这个奇特的现象，这现象似乎动摇了他对寻常折射的解释。他对这个问题的处理，成了把实验研究和透彻分析相结合的一个后无来者的典范。结果他发现根据

同一个一般假说，能够解释双折射和寻常折射的大多数独特之点。

惠更斯更精确地重复了巴塞林那斯对方解石的观察，亲自在水晶中发现了不太显著的双折射。他经过仔细观察后发现，方解石中的寻常光线可以归因于球波通过晶体传播，但为了解释非常光线的行为，就必须设想光展开而使波阵面呈回转椭球形状。这个椭球的短轴（即回转轴）发现同晶体的光轴平行，而两种光线沿这个轴的速度相等。这就是说，如果假定光从方解石晶体内的任何一点向四面八方传播开去，则其波阵面便呈双表面，一个是球(263) 面，一个是椭球面。这两个面在椭球面的短轴端点处相接，球的半径同椭球长轴成 8：9。惠更斯说明了如何作非常光线方向的图。他用的方法类似于已应用于寻常析射的那种方法，但更为复杂。

惠更斯试图把非常光波的球体状同晶体的精细结构联系起来。他揣测，晶体的规则的几何形状必定依赖于组成晶体的最小微粒的形状和排列。于是，惠更斯试图解释冰州石的解理以及椭球波在其中的传播，他假定这晶体由椭球状微粒规则地组成，这些微粒相对晶体的光轴有一定的取向（图153）。

然而，惠更斯的双折射理论未能解释他在一条光线相继通过两个晶体时所发现的某些进一步的现象。他发现，当两个晶体对应边平行地放置时（图154），一条光线通过第一个晶体后，所产生的两条光线在第二个晶体里不再进一步加倍，但第一个晶体中的寻常光线在第二个晶体中经受寻常折射，第一个晶体中的非常光线在第二个晶体中经受非常折射。起先惠更斯认为，每条光线在通过第一个晶体后己丧失在第二个晶体中再传播另一种波荡的能力。但是他发现，当这两个晶体主截面成直角地放置时（图 155），第一个晶体中的寻常光线在第二个晶体中变成非常光线，而第一(264)个晶体中的非常光线在第二个晶体中变成正常光线。而且，对于这两个晶体的其他相对取向，从第一个晶体出来的每条光线都被第二个晶体加倍，结果总共产生四条光线。四条光线的相对强度规则地取决于两个主截面的相对取向，但它们的共同强度不超过入射光线的强度。

图 153—冰州石的解理

图 154—一条光线通过两个对应边平等的晶体

图 155—一条光线通过两个主截面成直角地放置的晶体

惠更斯不得不让这个谜悬而未决。他写道：“pourdir ecommentcela se fait,je, n'airien trouve jusqu'ici qui me sa-tisfasse。”（为了说明这究竟是怎么回事，我至今尚未找到什么今人满意的解释。〕一直到十九世纪，由于抛弃了纵光波而接受横光波，才揭开了这个奥秘。惠更斯在这个问题上的失败以及他没有考虑颜色和我们现在所你的干涉现象，结果不利于他的理论，而有利于相竞争的牛顿观点。

惠更斯有些关于光的思想，甚至他的反射和折射光线作图法最初可能也是受耶稣会教土帕迪斯车稿的启发，惠更斯承认看过这份手稿。帕迪斯的光学著作没有发表过，但他的有些思想似乎曾经被另一个耶稣会教士安戈收进他自己于 1682 年发表的《光学》（Optique）之中。