光的横波理论和偏振光的干涉

早在牛顿时代，人们就知道通过冰洲石的光束会分裂成两束折射光的现象。

1808 年底的一个傍晚，在巴黎卢森堡宫殿外，法国工程师和物理学家马吕斯(Etienne Louis Malus， 1775—1812)用冰洲石晶体来看落日在玻璃上的反射现象时，他惊奇地发现只出现一个太阳的像，而不是一般双折射时的两个像。原来人们认为，光被反射或折射时，它的物理性质是不会改变的，这个偶然发现打破了这一见解，马吕斯想到这可能是反射造成的。夜间他在验证自己的发现时，观察了蜡烛在水面上的反射，发现当光束和表面成 36°反射时，在晶体中的一个像就消失了；在其他角度下，两个像的强度一般是不同的。在晶体转动时，较亮的像将会变暗，较暗的像将会变亮。[2]

利用其他反射表面，也会看到类似现象，只是发生一个像消失的角度不同(对玻璃来说，光束与表面成 35°)，1851 年，英国的布儒斯特(David Brewster，1781—1868)发现发生这一现象的入射角的正切等于折射光束所在介质的折射率与入射光束所在介质的折射率之比。

马吕斯对寻常光线和非寻常光线的反射作了进一步的研究后发现，如果一条光线反射了，另一条光线就会进入第二种介质。他由此引入了“光的偏振”这个术语。马吕斯证明了寻常光线和非寻常光线在互相垂直的平面内偏振。[2]

马吕斯进而研究了在简单折射现象中的偏振，他发现光在折射时是部分偏振的，折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。他对这一发现非常高兴，认为它击中了(纵波)波动论的要害，而有利于确证把光粒子看作有不同“侧面”的粒子说。并被微粒论的支持者认为是对光的粒子说的“真理性的数学证明”。[2]

1816 年，菲涅耳和阿拉果一起研究了偏振光线的干涉[3]。他们发现来自同一光源的通过冰洲石分裂成的两条折射光互不干涉。其中每一条折射光束可以用某种光学方法进行分光，分光后的光束都可以自己相互干涉。这一事实给光是纵波的观点造成很大的困难。一直在为波动说的困难寻求解决办法的托马斯·杨当知道菲涅耳和阿拉果的工作结果之后，于

1817 年觉察出，如果光的振动不是象声波那样沿运动方向作纵向振动，而是象水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题或许可以得到解决。 1817 年初，他写信给阿拉果说：“⋯⋯虽然波动说可以解释横向振动也在径向方向并以相等速度传播，但粒子的运动是在相对于径向的某个恒定方向上，而这就是偏振。”[2]阿拉果立即将托马斯·杨的这一新想法告诉了菲涅耳，菲涅耳当时已经独立地领悟到了这个思想。他立即以横向振动的假设解释了偏振光的干涉现象，而且还得出了一系列其它的重要结论。

菲涅耳同阿拉果在研究来自同一光源的两条折射光互不干涉的现象时，阿拉果提出了这样一个设想：光波系统可能是由两个相互垂直的振动所组成。菲涅耳发展了这个思想。他提出，光波可用垂直于其传播方向上的一种位移来描述。所以，由于自身结构上的特点，冰洲石晶体和电气石晶体能够把光束分解为相互垂直的两个光分量，这就出现了偏振现象。因为这两个分量是相互独立的，所以它们不能相互干涉，在水平方向上的位移不可能与在垂直方向上的位移相互抵消。菲涅耳写道：“当我们用这样的观点观察事物时，偏振的作用就不再是激起横向运动，而是把横向运动沿两个相互独立、相互垂直的方向分解，并把这两个分量单独分离出来。因为只有在这种情况下，每一个分量中的振动才处于同一平面内。”[4]

1819 年，阿拉果和菲涅耳在《化学与物理学年刊》上，联名发表了题为《关于偏振光线的相互作用》的论文。论文一开始，他们概括了杨氏干涉实验所得的“美妙的结果”，又引入了光程的概念。他们指出：“在一切干涉现象中，如果两个不同介质的厚度与其折射率的乘积相等，则该不同介质产生同样的效应。”接着，他们详细地描述了他们所作的一系列偏振光干涉的实验，最后得出五点结论：

振动方向相互垂直的偏振光不发生干涉。
振动方向相同的偏振光发生干涉，与自然光产生的干涉相同。

(3)原来振动方向相互垂直的两束偏振光，当用某种光学方法，使偏振

面转动到同一平面后，仍然不发生干涉。

原来振动方向相同的一束偏振光，当用某种光学方法分裂成相互垂直的两束偏振光，转动偏转面后又回到同样的偏振状态，两束光发生干涉，与自然光的干涉相同。
双折射光线的干涉条纹的位置，不只是由路程差和速度差决定，在某些情况下，还必须把半波损失考虑在内。[13]

但是，新的光的波动说也引起了关于以太的性质的许多问题，这甚至使菲涅耳在接受光的横波假设之前，也经过一段犹豫。他提出：“这个假设与公认的弹性液体振动本质的概念如此矛盾，以致我长久以来不能决定采用它；甚至当全部事实和长久的思考使我相信这个假设对于说明光学现象是必要的⋯⋯”[2]他指出：纵波可以通过气体介质传播，而横向振动只能在固体物质中产生。但很难设想一种能传播横波的固态以太，却能让天体自由通过。杨氏在谈到菲涅耳关于光波系统是由垂直于传播方向的两个相互垂直的振动所组成的假设时，写道：“菲涅尔先生的这个假设，至少应当被认为是非常聪明的。利用这个假设可以进行相当满意的计算。可是，这个假设又带来了一个新问题，它的后果确实是可怕的⋯⋯到目前为止，人们都认为只有固体才具有横向弹性。所以，如果承认波动理论的支持者

们在自己的‘讲稿’中所描述的差别，那么就可以得出结论说：充满一切空间并能穿透几乎一切物质的光以太，不仅应当是弹性的，并且应当是绝对坚硬的！！！”[4]

菲涅耳的研究成果，标志着光学进入了一个新时期——弹性以太光学的时期。这个学说的成功，在牛顿物理学中打开了第一个缺口。由于菲涅耳的工作给波动理论奠定了如此牢固的基础，他被人们称为“物理光学的缔造者”。

在 1850 年进行了一项由阿拉果首先建议的，由傅科(L.Fou-cault)、斐索(A.H.L.Fizeau，1819—1896)和布雷格特(L.Bre-guet)作的关于光速的仲裁实验。当光从光疏介质进入光密介质时，按照微粒论者的解释光在光密介质中的光速比较大；相反，波动论者依据惠更斯作图，要求光密介质中的光速比较小。傅科等直接测量了空气和水中的光速，结果毫无疑问，判定波动理论获胜。相对于波动理论所取得的胜利来说，这个仲裁实验显得近乎多余了。[3]