光学知识—谁是法布里和珀罗
法布里–珀罗干涉仪在光学中用处非常之广。本文译自Joseph F. Mulligan所撰写的Who were Fabry and Pérot?一文，文章发表在American Journal of Physics, 1998, 66(9):797–802上，对这两位宣传度不高的科学家进行了介绍。翻译目的为分享知识，欢迎指正。如有侵权，请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。
1897年查尔斯·法布里(Charles Fabry)和阿尔弗雷德·珀罗(Alfred Pérot)发表了他们最重要的一篇关于后来被称为法布里–珀罗干涉仪的文章。尽管这个仪器对当今物理学和天体物理学的研究非常重要，但它的发明者对大多数物理学家来说几乎是完全陌生的。本文简要介绍了法布里和珀罗的生平和工作，他们在二十世纪初因对光学和光谱学的贡献而受到全世界物理学家的高度评价。后来他们也对天体物理学做出了许多重要贡献，包括1913年法布里（与Henri Buisson）发现地球大气中的臭氧层。
1. 引言
作为科研仪器，法布里–珀罗干涉仪目前比它100年历史上其他任何时刻的应用都更为广泛。它起源于1890–1892年查尔斯·法布里(Charles Fabry)发展的多光束干涉理论，该理论被包括在法布里和同事阿尔弗雷德·珀罗(Alfred Pérot)于1897年搭建的第一台干涉仪的设计中。
最初由法布里和珀罗开发的F–P干涉仪由两块完全平的玻璃板组成，在相互面向的平行面上涂有银薄膜。在第一台干涉仪中，这些金属薄膜反射了90%以上的入射光。入射到其中一块板的外表面并穿过银涂层的那部分光束被束缚在镀银板之间，来回反射很多次。但是，每次反射时，入射光束的一小部分 (1/10或更少）会通过第二块板的外表面逃逸。结果，大量平行光束以与进入干涉仪时相同的角度出射，然后可以通过会聚透镜聚焦成像。这些大量的平行光束的相长干涉产生了非常明亮和异常尖锐的干涉条纹。
通过增加平板的反射率和它们的间距，可以提高F–P干涉仪的分辨率，直到它最终仅受光源发射谱线的自然线宽所限制。当在500 nm附近的波长下工作，镀膜（银或铝）表面的间隔固定为1 cm且表面的反射率为95%时，现代F–P干涉仪的分辨能力为 。在特殊情况下，得到了大约的分辨能力。这些数值比棱镜和光栅光谱仪高出一到两个数量级。这是F–P干涉仪在精密波长测量、原子超精细结构分析、采用光波长校准标准米等方面优于其他类型光学仪器的一大优点。
F–P干涉仪带来的缺点是，为了从F–P干涉图样的测量中获得所需的精确波长，必须采用优雅但有些复杂的方法。对这些方法的讨论不在本文范围内，在文献中有很好的处理方法。
尽管F–P干涉仪非常有用，但是它的发明者在当今物理学家中的知名度远不如他们开发的仪器。因为他们用干涉仪对天体物理学做出了许多重要贡献，所以法布里和珀罗的名字可能在天文学家中比在物理学家中更为熟悉，尽管他们二人都受过教育成为物理学家，并在整个职业生涯中都在法国的重要大学中担任物理学教授。
甚至很难找到有关光学或物理学史的参考书来尝试认真回答这个问题：谁是法布里和珀罗？这篇简短的文章试图纠正这一悲惨的状况，并说明为什么法布里和珀罗应该得到当今一代物理学家、天文学家和科学史学家更好的了解和更广泛的赞誉。
2. 查尔斯·法布里
查尔斯·法布里(1867–1945)于1867年6月11日出生于法国东南部地中海沿岸的海港城市马赛(Marseille)。在18岁时，他进入巴黎综合理工学院学习，两年后毕业，回到家乡马赛去考取高中物理教师资格证书(Agrégé de physique,1889)。获得此证书给了他在国立中学任教的资格，他先后在波城 (Pau)、讷维尔(Nevers)、波尔多(Bordeaux)和马赛的高中(Lycée )，最后在巴黎圣•路易高中(Lycée Saint Louis)任教。在这段时间，他正在准备关于多光束干涉现象理论的博士论文；早在1831年乔治·比德尔·艾里(George Biddell Airy, 1801–1892)就开始讨论这个主题，但不如法布里对这个问题讨论的更加深入和复杂。在1890–1892年间，法布里发表了两篇关于干涉条纹可见性和方向性的论文，其中第一篇是他与导师Jules Macé de Lepinay的合著论文，而第二篇则被巴黎大学理学院作为他获得科学博士学位(Docteur ès sciences)的论文所接收。这些论文和随后发表的大量论文逐渐确立了法布里在光学和光谱学领域的权威地位。
1894年，法布里取代了阿尔弗雷德·珀罗(1863–1925)作为马赛大学的讲师(Maître de conférence)；他在那里度过了接下来的26年，开始在de Lepinay的实验室作助手。1904年，de Lepinay退休后，法布里被马赛大学任命填补他物理学教授的职位（见图1）。
法布里于1894年来到马赛后不久，就与珀罗进行了密切的合作；以法布里提出的理论为基础，他们研究了多光束干涉仪的设计和结构。法布里用自己的话描述了这台后来以他和珀罗命名的仪器的研究工作是如何开始的：
我们开始研究的课题是在一次电气故障的观察之后我偶然想到的，这部分是因为偶然的因素。一位和我一起工作的年轻物理学家希望研究间隔为微米或更小的金属表面之间的火花放电；他向我请教可以测量这么小的距离的方法。我已经熟悉了干涉现象；我立刻想到，只有干涉法才能达到要求的精度。我突然有了一个主意：如果能观察到金属表面产生的干涉，解决这个问题就容易多了；我想用一块镀少许银的玻璃板就可以了。立刻进行的尝试表明这是可以做到的；我立刻被这些条纹的奇异外观所打动，它们是可见的、非常细的线条，并向第五百条条纹的方向显示出钠谱线的加倍，而不是通常观察到的消失。...镀银表面的高反射能力显然是造成这种现象的原因。
我和珀罗立刻开始研究镀银薄膜的条纹，大量的应用随即出现。
法布里–珀罗干涉仪的实际开发发生在1896年至1898年，他们描述的这一仪器最重要的论文发表于1897年。1896年至1902年的6年间，法布里和珀罗发表了15篇关于此干涉仪及其在计量学、光谱学和天体物理学中的应用的合作论文。1901年，珀罗离开马赛前往巴黎，法布里与Henri Buisson (1873–1944)继续开展此新型干涉仪的进一步应用工作，包括光谱标准体系的建立（1908年）、He、Ne和K发射谱线的多普勒加宽的验证（1912年）、几个光谱波长与标准米的比较（1913年）和光波多普勒效应的实验室观测（1914年），而光波的多普勒效应此前只对星体光源观测过。
法布里在学生时代和两个兄弟在观察夜空时对天文学产生了浓厚的兴趣，这使他将F–P干涉仪应用于太阳和恒星光谱的研究。在天体物理学方面，法布里和珀罗发现他们的干涉仪特别适合于对如其他行星或恒星这样的小角度光源获得非常高的光谱分辨率，或者对于像星云或星系这样的表面亮度较低的光源实现中到高的分辨率。
作为这个持续进行的项目的一部分，1911年，法布里和Buisson在猎户座星云(Orion nebula)中发现了“星云”（‘‘nebulium’’）线；1913年，他们第一个证明了地球高层大气中的紫外线吸收是由臭氧引起的（见图2）。法布里一直对这个问题感兴趣，并于1929年在巴黎主办了第一次关于大气臭氧的国际会议（没有一位来自美国的科学家参加这个会议！）。他还花了大量时间开发更好的光度计，用于测量实验室和天体物理光源发射的谱线强度。这些仪器对他解释地球大气层中太阳辐射在紫外区截断起到了至关重要的作用。
在马赛的27年是法布里职业生涯中最快乐、最富有成效的时光，尽管他不得不忍受原始的实验室和微薄的资金预算。1921年，法布里被任命为索邦大学的普通物理学教授和新光学研究所的第一任所长。1926年，他还成为巴黎综合理工学院的教授，接替前一年去世的老朋友和同事阿尔弗雷德·珀罗。在他的职业生涯中，法布里发表了197篇科学论文、14本书、100多篇笔记、讣告和大众文章。由于他的重要科学成就，他于1918年获得了伦敦皇家学会颁发的拉姆福德奖章 (Rumford Medal)。在美国，他的工作获得了国家科学院的亨利·德雷伯奖章（Henry Draper Medal）(1919年）和富兰克林研究所颁发的本杰明·富兰克林奖章 (Benjamin Franklin Medal)（1921年）。1927年，法国科学家最渴求的荣誉授予了他：他入选了法国科学院。
法布里良好的判断力、个人魅力、清晰的表达方式和幽默感使他在重要科学委员会任职时成为法国和全世界同事的热门人选。委员会的工作，加上他在光学研究所大大增加的行政责任，逐渐消耗了他大部分的时间和精力，他很快渴望有机会再次投身于所热爱的研究。
法布里一生都对科学的教学和普及非常感兴趣。他既写教科书又写科普书，多年来每周三晚上都教一门电工学入门课。课程安排在晚上9点，但是大教室的门必须在晚上8:30就关闭，因为教室挤不进更多的人。他能够通过清晰、诙谐的语言和娴熟的演示技巧吸引包括理科学生、工程师和工人的不同听众，以至于路易·德布罗意（Louis Duc de Broglie）说法布里应该会是伦敦皇家研究所（Royal Institution in London）的理想主任，这个位置曾由迈克尔·法拉第（Michael Faraday, 1791–1867)在1825年到1862年期间担任。德布罗意的理由很简单，法布里和法拉第一样，既是一位杰出的研究物理学家，也是一位引人入胜的讲课者。
二战期间，法布里离开巴黎，前往离马赛不远的普罗旺斯的一个村庄，在那里继续进行与战争有关的秘密光学研究。战争结束后，法布里回到巴黎，但他的健康状况变差，于1945年12月11日去世，生前他为可以追溯到艾蒂安·马吕斯(Etienne Malus, 1775–1812)和奥古斯汀·菲涅尔(Augustin Fresnel,1788-1827)的法国著名的光学传统增添了许多光彩。可以引用他自己的话来总结他辉煌的事业：“我的一生都致力于科学和教学，对它们两个的挚爱给我带来了极大的快乐。”
3. 阿尔弗雷德·珀罗
阿尔弗雷德·珀罗 (1863–1925)在法国以外的知名度一直不如法布里，而且令人惊讶的是关于他职业生涯的公开信息也很少，甚至在法国文献中也如此（见图3)。他于1863年11月3日出生于法国的梅斯(Metz)，先在南锡(Nancy)附近的高中而后在巴黎综合理工学院接受教育。1884年，他在综合理工学院完成学业后，回到南锡，在René-Prosper Blondlot (1849–1930)领导下从事物理学研究，Blondlot 最为人所知的是在二十世纪早期他声称发现了N射线 (N rays)。关于这些N射线 （以南锡命名，Blondlot在那里出生并度过了他大部分的职业生涯），J. J. 汤姆森曾调侃道：“英国、德国或美国的物理学家没有人能够成功地找到它们，而在法国它们似乎是普遍存在的。” 珀罗在1888年获得了巴黎大学的科学博士学位，他的论文致力于精确测定热力学常数，然后用它来计算热的机械当量值。他的结果与焦耳和Rowland的最佳直接测量结果非常吻合，为热力学基本定律提供了一个优雅的佐证。
在获得博士学位后，珀罗被任命为马赛大学的讲师。他开始在迅速发展的工业电力领域工作，发表了一些关于电磁波的研究工作，电磁波是海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)于1888年在卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)发现的。很快，他成为了迅猛发展的电气工业的顾问，并在1894年获得了马赛大学工业电力学教授的特别任命。正是在这个时候，他与法布里开始了卓有成效的合作，他们的第一个合作研究是开发给他们带来永久声誉的干涉仪。在这个项目上，正如他们在1894–1902年期间的大多数后续合作中一样，法布里处理了大部分的理论规划、光学测量和计算，而珀罗则贡献出他高超的机械技能用于研究所需仪器的设计和制造。珀罗喜欢把一群有才华的技术人员聚集在他身边以建造所需的研究仪器 [个人注：读这个句子感觉应该是法布里聚拢技术人员才通顺]，但对于开发新仪器，法布里总是认为在实验室中工作的人中珀罗是最有才华的。第一个法布里–珀罗干涉仪的成功无疑是因为珀罗在设计和制造设备方面的天赋（见图4）。在他关于F–P干涉仪的书中，J. M. Vaughan写道：
对现代工具主义者来说，这个第一台“法布里–珀罗干涉仪”的惊人之处必须是：它能够扫描多级条纹，对板间隔进行粗和精的控制，在保持两板近乎平行的同时提供快速、可变的板间隔变化，以及防止振动。
法布里和珀罗不断改进他们的干涉仪，并开始越来越多地将其应用于天体物理问题。他们很快就在Kayser和Runge (1888年)早一些以及Rowland (1901年)的太阳光谱的研究工作中发现了一些小的系统误差，两项研究都采用了在巴尔的摩的Rowland实验室里刻划的大型Rowland光栅。更精确的F–P干涉仪的测量结果令人信服地表明，从光栅光谱获得的太阳波长在整个光谱中过高，高的系数范围为1.000 030到1.000 037。法布里和珀罗提供了该误差与波长的关系曲线图，它与Rowland的异常完整的太阳光谱一起被用来提供整个可见光谱中准确已知的波长标准。这一美丽的研究成果受到了全世界物理学家和天体物理学家的热烈欢迎，并迅速投入使用。
这项工作的一个额外结果是由法布里、珀罗和Buisson提出了一系列重要光谱线波长的精确值，它们最终形成了国际波长标准体系。通过这项研究，最终发现F–P干涉仪提供了比衍射光栅或迈克尔逊干涉仪更精确的结果，F–P干涉仪很快成为了对光谱进行高精度波长测量的首选仪器，光谱无论是从实验室的光源还是在宇宙中的恒星和星系获得的。
1901年珀罗被要求去组织和指导巴黎工艺学院(Conservatoire des arts et métiers in Paris)的测试实验室(Laboratoire d’essais)。他工作很出色，但很快就厌倦了身上的沉重的行政负担。他于1908年辞去这一职务，接替亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel, 1852–1908)成为巴黎综合理工学院的教授，他在凡尔赛(Versailles)附近的默东天文台(Meudon Observatory)进行大部分研究。在那里，珀罗越来越致力于太阳系物理学的研究，特别是F–P干涉仪在测量太阳光谱线多普勒偏移中的应用。在他职业生涯的最后几年，对实验室物理和天体物理之间关系的浓厚兴趣推动了他的研究。但他也继续从事一些电学方面的工作，为三极管真空管和电报的开发做出了贡献。1920–1921年间珀罗试图验证广义相对论所预言的引力红移，但在这一过于雄心勃勃的努力中失败了。他曾担任法国计量局(French Bureau of Weights and Measures)的成员，并于1915年出版了（用英语）一本有趣的关于十进位米制的小册子。
阿尔弗雷德·珀罗于1925年11月28日去世，享年62岁。他的同事和亲密合作者法布里比他长寿20年。珀罗在法国以外的物理学家中并不广为人知，很大程度上是因为他宁愿和家人呆在一起，也不愿出国旅行参加会议。这或许可以部分解释为什么今天阿尔弗雷德·珀罗不为人所牢记。
4. 结论
以上对法布里和珀罗生平的简要叙述应该清楚地表明，这两位法国物理学家应该在科学史上获得比现在更高的声望。他们在科学史上的重要性不仅仅基于他们对F–P干涉仪的设计和制造，而且基于他们对物理学和天体物理学的许多其他贡献，其中只有少数在这个简短的叙述中提到。在更深层次上，他们最重要的贡献无疑是他们坚信，在微小的行星地球上开展的实验室物理学不能与统治我们浩瀚宇宙其他部分的物理学分开—这一信念现在已经得到了当今基本粒子物理学家、天体物理学家和宇宙学家的完全认同。1936年，法布里本人很好地表述了这一观点：“宇宙中的一切都是联系在一起的。地球物理学和天文学是分不开的。地球和天空之间没有界限。“
