奇异的冰洲石的双折射

奇异的冰洲石的双折射

什么是光的双折射呢？在托马斯·杨复兴波动学说之前100年左右，也就是1669年丹麦哥本哈根大学教授巴塞林纳斯发现，当一束光射到冰洲石上面时，它的折射光不是通常见到的一束，而是有两束。其中一束光遵循斯涅耳定律，它的行为和方向与一般的折射光相同；另一束则不处在入射光线与法线所确定的平面里，是一条特殊光束。

冰洲石是出产于冰岛的一种透明晶体，也叫方解石。化学式是CaCO₃。一次，巴塞林纳斯拿着它去看纸上的字迹，见每个字都成为两个部分重叠的宇，于是静下心来仔仔细细地试验，发现了这束特殊光束产生的像还会因为冰洲石的移动而改变。以及两个光像与冰洲石的厚度有关等现象。光的双折射现象为科学家认识光的本性提供了新的素材。当时，牛顿感到用“微粒说”来解释双折射现象并不难，只要假定光是具有不同侧面（如矩形截面）的粒子流，双像表示对以不同取向进入媒质的光粒子的一种区分，就可以了。然而双折射现象对波动理论来说却是一个棘手的难题。惠更斯虽然重复了实验，还试图用球面波和椭球面波来解释它，却难以自圆其说。最后只能作罢。他在自己的论文中介绍了双折射现象，并说：“尽管迄今我还未能找出它的原因，我并不因此而打消叙述一下它的愿望，使旁人有机会加以研究，看来除了我已经做出的设想之外，还必须提出进一步的假设。”

总之，双折射现象成为发展波动说的桎梏，可以这么说，在18世纪的整整100年里，波动说偃旗息鼓、毫无进展与双折射现象引起的困惑不无关系。

18世纪下半叶，随着光的干涉和衍射现象的发现，人们很自然地把光的这些行为与水波、声波来类比，又重温起波动说的优越性来，这使持“微粒说”的法兰西科学院的领袖们十分恼火。他们以科学院的名义向学术界征求对光的双折射现象的数学解释，并允应以有奖竞赛的形式公诸于世。希望这样做可以把复兴波动说的星星之火扑灭。此时有位叫马吕斯的工程师见到科学院有奖征文，不免跃跃欲试。他买了几块冰洲石回家，边试验，边计算。一天他算得头晕脑胀，见窗外对面是宏伟壮丽的卢森堡宫殿，明亮的玻璃窗上正映现出落日金色的圆轮。他便取过一块冰洲石放在眼睛前，按理说隔着冰洲石应该见到两个太阳的像，但这一次他只见到一个太阳的像。这又是为什么呢？他想弄清楚其中的奥秘。太阳很快地消失在地平线上，夜幕降临了。马吕斯借助于烛光继续实验，他用冰洲石观察由水面反射的烛光，发现在冰洲石里可以看到烛光有两个像。转动石块，较亮的像会变暗，较暗的像变亮。然而，当烛光入射水面的角度大于36°时，其中一个像就会消失。马吕斯想准是晶体的方向性使一部分光通过而不让另一部分的光通过所引起的现象。再念头一转，这现象岂不是光的“微粒说”的有力佐证吗？只要假设光是一种橄榄形的，对于一扇竖门来说当然只有竖立的粒子可以通过，横卧的粒子被拒之门外了。马吕斯想到这里，欣喜不已，立即奋笔疾书把所见所想写成论文呈送到科学院。然后静候佳音。马吕斯后来果然因此得了奖。

马吕斯的新发现给了刚刚抬头的波动说当头一棒，无论是英国的托马斯·杨还是他的法国盟友菲涅耳都不能很好地解释这些现象。值得一提的是法国著名科学家阿拉果，幸亏他的热情扶持和帮助，才使这两位复兴波动说的干将没有因此而丧失信心。阿拉果是一位带有传奇色彩的人物，年轻时他因间谍嫌疑曾被捕入狱。出狱后又当过皇家天文台台长。1830年法国发生革命后，他拥护共和被选为议员，后来还出任海军大臣，他性格开朗，乐于助人，在电学和光学上都做出过重要贡献。

再说法国科学家菲涅耳在阿拉果的鼓励下，安下心来认真钻研，他俩在实验上又有了新的发现：当一束光射到冰洲石上，被折射成两束光。按理说这两束来自同一光源的光应该具有相干性。然而当这两束光经平面镜反射后相遇时，光屏上却并没有见到干涉条纹，这又是什么原因呢？这时候菲涅耳的脑中闪过一个念头，光会不会是横波？原来波有两种，媒质的运动方向与波的传播方向一致的波叫纵波，声波就是纵波，以前人们认为光波也是纵波。除了纵波以外，凡媒质的运动方向与波的传播方向垂直的波叫做横波，水的表面波以及琴弦上传送的振动波都是横波。横波和纵波一样也会发生干涉和衍射现象，然而当两列横波的振动平面互相垂直时，干涉就不会发生了。因此用横波可以说明这个新发现的奇异现象。就在这个时候，托马斯·杨也从英国给阿拉果来信表达同样的思想：“在波动学说中我们也可以用横振动来解释，这种横振动也是沿着半径方向传播而且速度也一样。”阿拉果见信后立即把杨的想法告诉了菲涅耳，菲涅耳闻言大喜，可谓心有灵犀一点通，他改用横波模型来思索问题，觉得思如潮涌，多日来萦绕在心头的困惑顿时烟消云散了。

对于横波，媒质的运动总是跟波的传播方向垂直，这并不意味着媒质总是在同一方向上运动。然而，如果媒质的运动明显地是在一个方向，例如竖直方向，我们说这个波是偏振波。所以偏振波是最简单的一种横波。非偏振的横波比较复杂，因为它是多种横向运动的混合。一般的可见光都是非偏振的横波，为了研究光的偏振现象要设法把在某个振面上的光分离出来。冰洲石就起到了这样的作用。一束非偏振的可见光束，经冰洲石分离后，分成两束偏振光，各以不同的方向和不同的速率透过晶体。由于这两束偏振光的振动平面垂直，所以它们相遇时不产生干涉现象。

由于冰洲石脆而易碎，又很难得到。1928年有位叫埃德温·兰德的大学生发明了一种偏振片，能够从可见光束中分离出偏振光来。他把一种长链形分子埋置在柔软的塑料片中，再把塑料片绷紧，绷紧后的长链形分子会互相平行地排列整齐，因而对射入的光线产生完全相同的作用。这就是偏振片。如果你有两片偏振片就可以做这样的实验。

取两片电气石晶体薄片，取一片用它来观察太阳，若以光线方向为轴转动薄片，透光强度不变，但是，你若把两片偏振片重叠起来观察，并以光线方向为轴转动其中一片薄片，就会发现透光强度周期性地变化：从最强变到最弱。

因为偏振片中分子整齐的排列就像一道“木栅”，用第一片偏振片观察太阳时，只有与“木栅缝”同样方向的偏振光波才能通过片子，所以可以看见太阳。当将两片偏振片重叠在一起观察时，只有两片晶体的“栅缝”重合时，才能见到明亮的日光，转动一片晶体时，两条“栅缝”交叉就会挡去一部分日光，当这两条“栅缝”相互垂直时，光就全部被挡住了。这是一个很典型的偏振实验。

有趣的是经空气中微粒散射的光线，偏振程度要超过50%。如果我们用电气石的晶体薄片去观察晴朗的蓝天，大约50秒钟后，快速地把薄片转90°角，这时，你看的图形将在2～3秒钟内消失。这种奇妙的现象是奥地利矿物学家海丁格尔所发现的，称为海丁格尔刷子。

生物学家告诉我们，蜜蜂、蚂蚁、甲虫、果蝇等昆虫对太阳光的偏振比人类敏感得多。有报道说：在蜂箱上安放一块偏振片，只要改变偏振镜片的方位角，蜜蜂也会跟着改变它的活动方向，水里的鱼类、甲壳、溏虾的行动，也都与日光的偏振方向有着密切的关系。