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你可能注意到，在遙望碧藍的天空時，有時我們會看見眼睛中出現了一些灰白色的小蟲。


這個現象叫做飛蚊癥，這些小蟲并不是真的蟲子，而來自玻璃體動脈的殘余。我們之前有一期節目講過，點我查看具體解釋。


但是，今天我們要更具體地探討這樣一個問題——為什么一些圓形的飛蚊的肚子會發光？







關鍵概念


泊松光斑



材料和操作


一根激光筆


一個非常圓的物體，比如彈珠，或者是圓形紙片


一些文具夾





實驗操作很簡單：


1 把激光筆架好，激光要能打中圓形的物體。最好在激光筆前面架一個半透明的薄膜，或者凹透鏡（比如近視眼的鏡片），讓激光發散開來。


@physicsEURP09


圓形物體要盡量小


2 激光，圓形物體，以及墻面之間要留出一定的距離。



3 關燈，打開激光筆，觀察一下，圓形物體留在墻上的影子是什么樣的？中央是什么？






原理


你是不是觀察到，圓形物體留在墻上的影子中央，有一個特別亮的光斑呢？


泊松光斑

@Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations


這，就是泊松光斑。它的存在，曾經讓200年前的物理學家們分裂成了兩派。


1817年，法蘭西學術院開展了一個競賽，競賽的主題是光的本性，找到光的衍射的最佳解釋。


有一個叫做奧古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）的法國物理學家和工程師參與了這個競賽。他提出的理論是，光是一種波，就像所有的波一樣，光在遇到障礙物的時候會產生衍射。


奧古斯丁·菲涅耳


菲涅爾提出了后來被人稱之為惠更斯-菲涅爾原理的數學原理，他把單色光看成是正弦波，并用此成功解釋了光經過直線邊緣時的衍射。


當時，評委會中有一些人支持他，比如又是科學家，又曾經做過法國總理的弗朗索瓦·阿拉戈（Francaois Arago）。但是其他大佬卻提出了反對，其中就有大名鼎鼎的西莫恩·德尼·泊松和拉普拉斯。


泊松（左）和阿拉戈（右）


泊松對光的波動性非常不屑。他支持牛頓對光的看法，認為光是一種粒子。

 

為了批判菲涅耳的光的波動學說，他對菲涅耳的理論進行了進一步的推演。他得出一個結論：如果光是一種波，那么圓形物體的影子的正中應該有一個光斑，因為影子的中央離圓形物體邊緣距離相等，因此所有的光會在這個點發生相長干涉，也就是說振幅增加。


相長干涉

@UConn Physics Department

 

泊松甚至都沒有做實驗，就企圖用歸謬法判菲涅耳的理論死刑，因為他認為影子中間有個亮點這件事不符合常理，過于荒謬。


當然，以1818年的技術，菲涅耳的理論也很難得到證實，因為那個時候激光還沒有被發明。不過，菲涅耳又經過嚴密的數學計算發現，只有當這個圓片的半徑很小時，這個亮點才比較明顯。


泊松光斑

@wikipedia


好在支持菲涅爾的評委阿拉戈卻對泊松的推論很感興趣。他做了一個實驗，用2毫米直徑的圓形充當障礙物，果然發現了圓形影子中央的亮斑。

 

這個亮斑，后來就被稱為泊松光斑，有時也被稱為阿拉戈光斑，因為是他首先做實驗證明的，還有人把它叫做菲涅爾亮斑，因為一開始是菲涅爾提出的光的波動性嘛。


由于菲涅耳的數學十分優美，而實驗也與預測一致，因此他最終獲得了法蘭西學術院的大賽獎，并在數年后成為了英國倫敦皇家學會的會員。


燈塔的菲涅耳透鏡也是菲涅耳發明的



可是，日常生活中為什么觀察不到影子中的泊松光斑呢？

 

大多數物體不是完美的圓形當然是一個方面。另一個方面，較小的物體才會產生比較明顯的光斑。


更重要的是，許多光源發出的光并不像激光那樣具有同相位，所以它們很難在圓形物體正中發生相長干涉。


但在一些特殊的情況下，我們依然可以偶遇泊松光斑。文頭提到的肚子發光的飛蚊，就是最好的證明。



飛蚊是玻璃體動脈的殘余投射在視網膜上的影子，它們非常小，如果有玻璃體動脈的殘余恰好是圓形的，那么飛蚊也是圓形的。


美國物理學家 David Halliday 等人在《物理》第五版中介紹，根據光的波動性，這樣的飛蚊的中央一定有個亮斑，這就是泊松光斑存在的最好證據了。



當然，你也可以把兩根手指留出很細的縫，然后把手指放在眼前，對著光源看，你看到的黑色柵欄般的線條，也是光的衍射的證據。


話說回來，挑戰了牛頓的權威的菲涅耳，在生前并沒有獲得應有的榮譽。


因為在后來的很長一段時間里，菲涅耳的理論并沒有得到廣泛的認可，即使是在1801年托馬斯·楊的經典雙縫實驗后，許多人還是不相信光的波動性，他們還是把牛頓的光粒子理論奉為圭臬。


托馬斯·楊的經典雙縫實驗：將激光照射有兩條狹縫的不透明板，光的波動性使得通過兩條狹縫的光束相互干涉，形成了明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣，這就是雙縫實驗著名的干涉圖樣。



不過，榮譽可能是菲涅耳最不在乎的事情了。在1824年寫給托馬斯·楊的信中，菲涅耳寫道：


“深藏在我內心的那種感覺，即被世俗稱之為于榮耀的追尋與愛慕，是何等的單調乏味；所有阿拉戈、拉普拉斯、畢奧加諸于我的贊賞，遠不及我因發現大自然的理論真締或做實驗確認計算的結果而博得的喜樂。”


3年后的1827年，菲涅耳因結核病死于在巴黎附近的阿弗雷城，年僅39歲。


在埃菲爾鐵塔上72位法國知名人士的名字之中，可以找到菲涅耳的名字。



菲涅耳的名字為埃菲爾鐵塔東南面列表的左數第四個，泊松和阿拉戈也名列其中。點擊看大圖。

@wikipedia


眼睛里飄著的小蟲為什么有時肚子會發光？|科學DIY

圖文簡介

眼睛里飄著的小蟲為什么有時肚子會發光？