如果要論及科學(xué)界最打臉的實(shí)驗(yàn)之一，泊松亮斑絕對是榜上有名，今天我們就來了解一下。

世界究竟是什么？這是一個(gè)哲學(xué)命題也是一個(gè)科學(xué)命題，在科學(xué)還沒有進(jìn)入微觀世界之前，光這種迷人而又耀眼的存在一直吸引著科學(xué)家們的目光，光究竟是什么呢？這個(gè)問題科學(xué)家引起了一場持久的論戰(zhàn)。

1660 年，牛頓的一生死敵胡克發(fā)表了他的光波動(dòng)理論。他認(rèn)為光線在一個(gè)名為發(fā)光以太的介質(zhì)中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影響，他假設(shè)光會(huì)在進(jìn)入高密度介質(zhì)時(shí)減速。胡克的光波動(dòng)理論是光的波動(dòng)說的雛形。

而牛頓卻和胡克提出了相反的意見，他在法國數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻提出的物體是由大量堅(jiān)硬粒子組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)光的直線傳播規(guī)律、光的偏振現(xiàn)象，最終于1675 年提出假設(shè)。

牛頓認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播。微粒說由此產(chǎn)生。

而牛頓和胡克還沒有撕起來，法國科學(xué)院的掌門人惠更斯也插了進(jìn)來，在 1678 年，惠更斯在法國科學(xué)院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，并在 1690 年出版的《光論》提出了著名的惠更斯原理，惠更斯原理表示波前的每一點(diǎn)可以認(rèn)為是產(chǎn)生球面次波的點(diǎn)波源，而以后任何時(shí)刻的波前則可看作是這些次波的包絡(luò)。

借著這原理，他可以給出波的直線傳播與球面?zhèn)鞑サ亩ㄐ越忉?，并且推?dǎo)出反射定律與折射定律；但是他并不能解釋，為什么當(dāng)光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時(shí)，會(huì)偏離了直線傳播，即衍射效應(yīng)。惠更斯假定次波只會(huì)朝前面方向傳播，而不會(huì)朝后面方向傳播。他并沒有解釋為什么會(huì)發(fā)生這種物理行為。但是在當(dāng)時(shí)來說，惠更斯原理的提出標(biāo)志著波動(dòng)學(xué)說的正式建立。

而由此也掀起了第一次波粒大戰(zhàn)，惠更斯和牛頓的支持者你來我往互掐了好幾個(gè)回合，還逼的牛頓和惠更斯兩個(gè)人下場對撕。

在惠更斯去世之后，牛頓出版巨著《光學(xué)》，這本著作匯聚了牛頓在劍橋三十年研究的心血，從粒子的角度，闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的內(nèi)容，他更從波動(dòng)說中汲取養(yǎng)分，將波動(dòng)說中的震動(dòng)、周期等理論引入粒子論，全面完善補(bǔ)足了粒子學(xué)說。

緊接著牛頓將波動(dòng)說無法解釋的問題一一提出，并對惠更斯當(dāng)年的《光論》加以駁斥。因?yàn)樗廊耸菦]有辦法反駁的，再加上牛頓當(dāng)時(shí)在科學(xué)界的地位，牛頓最終以一己之力，扭轉(zhuǎn)了光學(xué)兩大理論交鋒局勢，贏得了第一次波粒之戰(zhàn)的勝利，此后的一個(gè)世紀(jì)，微粒說一直牢牢占據(jù)著光學(xué)研究的主流。

1807 年，在波粒之戰(zhàn)過去 103 年之后，著名的科學(xué)家托馬斯·楊在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，由此拉開了第二次波粒大戰(zhàn)的序幕。

托馬斯.楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時(shí)候，他突然產(chǎn)生了疑問“為什么會(huì)形成一明一暗的條紋呢？”他想：“用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因?yàn)閮傻拦庹檬恰巴颉钡?，它們的波峰和波谷正好相互增?qiáng)，結(jié)果造成了兩倍光亮的效果；而暗的那些條紋，則一定是兩道光正好處于“反向”，它們的波峰波谷相對，正好相互抵消了?！?/p>

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，他立即進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，這便是著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)物理課本上也有。

就是把一個(gè)手電筒放在一張開了一個(gè)小孔的紙前邊，然后在紙后邊再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到墻壁上，就會(huì)形成一系列明、暗交替的條紋。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)成了支持光的波動(dòng)理論的絕佳例子，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)也被稱為光的干涉現(xiàn)象，干涉這個(gè)名詞也是楊首次提出的。他證實(shí)了光纖通過平行且距離很小的兩個(gè)小孔，通過兩小孔頻率相同的光會(huì)發(fā)生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給學(xué)界帶來了很大的沖擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動(dòng)理論，然而，當(dāng)時(shí)牛頓已經(jīng)成為了權(quán)威，容不得質(zhì)疑，科學(xué)界對于微粒說深信不疑。托馬斯.楊遇到了和麥克斯韋一樣的事情。他們對于楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以否認(rèn)，并稱之“荒謬絕倫”。

托馬斯.楊遭受到了無與倫比的壓力，他在雙縫實(shí)驗(yàn)得出來的結(jié)論被無情封殺，據(jù)傳只印刷了一本，還是自己自費(fèi)印刷的，后來托馬斯.楊宣布退出光學(xué)研究，轉(zhuǎn)而研究考古學(xué)，當(dāng)然在考古學(xué)他也作出了巨大的成就。

而托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)傳到法國科學(xué)家，也引起了法國科學(xué)界的震動(dòng)，但是法國科學(xué)院迷信牛頓的權(quán)威，認(rèn)為托馬斯·楊的實(shí)驗(yàn)是錯(cuò)的。

1818年，法國科學(xué)院提出了征文競賽題目：一是利用精確的實(shí)驗(yàn)確定光線的衍射效應(yīng)；二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)，用數(shù)學(xué)歸納法推求出光通過物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

在法國物理學(xué)家阿拉果與安培的鼓勵(lì)和支持下，菲涅耳向科學(xué)院提交了應(yīng)征論文。他用半波帶法定量地計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，在了惠更斯和托馬斯·楊的波動(dòng)說基礎(chǔ)上，提出了惠更斯-菲涅耳原理。

菲涅耳在惠更斯原理的基礎(chǔ)上假設(shè)這些次波會(huì)彼此發(fā)生干涉，用這種觀點(diǎn)來描述波的傳播，可以解釋波的衍射現(xiàn)象。特別地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理論的基礎(chǔ)，并指出了衍射的實(shí)質(zhì)是所有次波彼此相互干涉的結(jié)果。為了符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他又添加了一些關(guān)于次波的相位 與波幅的假定，從而給波為什么只會(huì)朝前面方向傳播，而不會(huì)朝后面方向傳播這問題給出一個(gè)定量的解釋。

憑借此原理，菲涅耳解釋影子的存在和光的直線傳播，并指出光的干涉現(xiàn)象和聲音的干涉現(xiàn)象所以不同，是由于光的波長短得多。

菲涅耳把自己的理論和對于實(shí)驗(yàn)的說明提交給評(píng)判委員會(huì)。參加這個(gè)委員會(huì)的有：波動(dòng)說的熱心支持者阿拉果；微粒說的支持者拉普拉斯、泊松和比奧；持中立態(tài)度的蓋·呂薩克。菲涅耳的波動(dòng)理論遭到了光的粒子論者的反對。

泊松立馬就跳出來反駁，根據(jù)菲涅耳的理論，應(yīng)當(dāng)能看到一種非常奇怪的現(xiàn)象：如果在光束的傳播路徑上，放置一塊不透明的圓板，由于光在圓板邊緣的衍射，在離圓板一定距離的地方，圓板陰影的中央應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)亮斑。

泊松提出來的現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)來說，是非常不可思議的，可以說違背了當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)知常識(shí)，所以泊松認(rèn)為這個(gè)計(jì)算結(jié)果足夠證明光的波動(dòng)說是荒謬的。他信誓旦旦地宣稱，他已駁倒了波動(dòng)理論。

然而菲涅耳和阿拉果并沒有放棄，立馬接受了這個(gè)挑戰(zhàn)，如果說菲涅爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上，不透光圓板后面應(yīng)該是一個(gè)暗斑，這就說明光具有粒子性，但是如果真出現(xiàn)了亮斑，就證明了光具有波動(dòng)性。

他們立即用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)理論預(yù)言，影子中心的確出現(xiàn)了一個(gè)亮斑?？梢哉f非常精彩地證實(shí)了菲涅爾理論的結(jié)論，本來是為了徹底打倒波動(dòng)說，結(jié)果卻撼動(dòng)了微粒說的權(quán)威地位。后人戲劇性地稱這個(gè)亮點(diǎn)為泊松亮斑。

過了不久， 菲涅耳又用復(fù)雜的的理論計(jì)算表明，當(dāng)這個(gè)圓片的半徑很小時(shí)，這個(gè)亮點(diǎn)才比較明顯。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，果真如此，菲涅耳因此榮獲了這一屆的科學(xué)獎(jiǎng)，可以說，泊松亮斑成了惠更斯－菲涅耳原理的最好佐證。

我們可以自己在家里那激光筆還有玻璃來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在玻璃上用黑筆涂上一個(gè)圓形的陰影，將玻璃放置在白墻前方，你用激光筆照射這個(gè)陰影，那么在后面的白墻墻上，你用放大鏡觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)在暗斑中間會(huì)有一個(gè)亮斑，這就是泊松亮斑。

泊松無形之中為菲涅爾助攻了一把，菲涅爾的理論成為了第二次波粒戰(zhàn)爭的決定性事件。后來傅科和赫茲的實(shí)驗(yàn)則直接推翻了牛頓的微粒說權(quán)威地位，獲得了第二次波粒大戰(zhàn)的終極勝利。

直到德布羅意在1924 年提出了“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，1927年，C . J . 戴維孫和 L . H . 革、G . P. 湯姆孫和A.里德分別用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意理論的正確性，從而徹底終結(jié)了波粒大戰(zhàn)。

簡單來說，光既是粒子也是波，量子力學(xué)認(rèn)為當(dāng)人們沒有對粒子進(jìn)行觀察的時(shí)候，它們是以波的形式運(yùn)動(dòng)，由于存在干涉，穿過雙縫后會(huì)出現(xiàn)一道道痕跡。一旦觀測后，它們立刻選擇成為粒子，就不會(huì)產(chǎn)生干涉，穿過雙縫留下痕跡。

也就是說粒子的波粒二象 性不可能在同一測量中同時(shí)出現(xiàn)，兩個(gè)概念在描述微觀現(xiàn)象時(shí)是 互斥的，不會(huì)在同一-實(shí)驗(yàn)中直接沖突。二者在描述微觀時(shí)都是不可缺少的，它們是互補(bǔ)并協(xié)的。

玻爾曾舉國過一個(gè)形象的粒子在任一時(shí)刻我們只能看到銀幣的-面，而只有當(dāng)銀幣的正、反兩面都被看到后，才可能銀幣有完整的認(rèn)識(shí)。這也是為什么會(huì)產(chǎn)生波粒大戰(zhàn)的原因，牛頓惠更斯他們在實(shí)驗(yàn)中都只看到了光的一面。