托马斯#183;杨的干涉实验——“最美丽”的十大物理实验之六，本文主要内容关键词为：托马斯论文,十大论文,最美丽论文,之六论文,物理实验论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
光的波动理论的建立，经历了许多科学家的努力，这里需要特别提到的是托马斯·杨的光干涉实验对波动光学的伟大贡献。
早先人们对光的本性认识是以直线传播为基础，但从17世纪开始，就发现有与光直线传播不完全符合的事实，例如波伦那的耶稣会学院教授格里马尔第（F.M.Grimaldi）首先注意到衍射现象，他在由一个小光源照明的小棍的阴影中观察到光带，这是光的波动理论的萌芽。
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向进一步发展的道路，当时有两种学说并立，即以英国科学家牛顿（S.I.Newton）为代表的微粒说和以荷兰科学家惠更斯（C.Huygens）为代表的波动说，两种学说当时都能解释光的直线传播、反射和折射定律。微粒说认为：光的微粒由光源发出后，在透明的均匀媒质中依惯性定律飞行，但是用微粒说研究光的折射定律时，得出了光在水中的速度比空气中大的错误结论，这一点在当时的科学技术条件下还不能通过实验测定来鉴别，由于牛顿在物理学界的巨大权威，再加上牛顿追随者极力推崇微粒说以及当时波动说的不完善，使光的微粒理论差不多统治了17、18两个世纪。
波动说认为：光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波，这种特殊弹性媒质称为“以太”充满整个宇宙，惠更斯提出：由振源发出的波经t时刻扰动传播到了波面S，S上的每个面元可以认为是次波的波源，由面元发出的次波向四面八方传播，在以后的t′时刻形成的次波面，在各向同性的均匀媒质中是半径为vΔt的球面（v是波速，Δt=t′-t），这些次波面的包络面S′就是t′时刻总扰动的波面。
运用惠更斯波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。但惠更斯没有指出光现象的周期性，也没有回答各次波应如何叠加的问题，并错误地认为光是纵波，因此，用惠更斯波动理论无法解释当时发现的干涉、衍射和偏振现象。由于波动说的不完善，虽然惠更斯在欧洲大陆大力发展波动说，但接受他理论的人很少，直到一百多年之后，即19世纪初托马斯·杨的干涉实验，使光的波动说又复兴起来。
托马斯·杨（Thomas Young，1773～1829）英国物理学家和医生，1773年6月13日生于英国萨默塞特郡的半尔弗顿。他出身于商人和教友会会员的家庭，自幼智力过人，有神童之称，2岁会阅读，4岁能背诵英国诗人的佳作和拉丁文诗，9岁掌握车工工艺，能自制一些物理仪器，9～14岁自学并掌握了牛顿的微分法，学会多种语言（法、意、波斯、阿拉伯等），曾先后在伦敦大学、爱丁堡大学和格丁根大学学习医学。在格丁根大学学习期间，由于他对生理光学和声学的强烈兴趣（对声学的爱好与他的音乐和乐器演奏才能密切有关，他能弹奏当时的各种乐器）以及受德国自然哲学学派的影响，开始怀疑微粒说，并钻研惠更斯的论著，逐渐形成了他对光的本性的看法。他在对光、声振动的实验研究中确信二者的相似性和波动说的正确性，在关于光的本性的争论中，1800年正是微粒说占上风的时期，他发表了《关于光和声的实验和研究提纲》的论文，文中他公开向牛顿提出挑战。从1801年起，他担任皇家学院的教授期间，完成了干涉现象的一系列杰出的研究工作，提出了“干涉”一词用于概括波与波之间的相互作用，这就是杨氏的干涉原理，为了验证他的理论，他做了著名的杨氏双缝干涉实验。他用强的太阳光照射在开有小孔S的不透明的遮光板上，通过小孔的光作为点光源，在点光源后面放置另一块开有两个很靠近的小孔S[，1]和S[，2]的不透明遮光板，并用白布屏接收透过小孔S[，1]和S[，2]投射的光，结果在屏上显示出在两束光交叠区出现一系列亮暗相间的条纹，杨氏为了提高亮度，又将S、S[，1]、S[，2]变成相互平行的狭缝做了上述实验，如图2所示。由图可见，如果光是由微粒组成的话，可以想象穿过S[，1]和S[，2]的两束光在屏上互相重叠的部分，由于微粒积聚得多就应该更亮一点，可是，实验结果显示在两束光交叠区出现一系列亮暗相间的条纹，这种现象微粒说无法解释。当时，杨氏利用惠更斯波动理论并补充了他的干涉原理，解释了双缝干涉实验：光源S发出的光投射在S[，1]和S[，2]上，S[，1]和S[，2]则为两个相干的次波源向前发射次波，这两列次波相遇时发生了干涉，当一列波的波峰与另一列波的波谷相遇，叠加时使合成波的强度最小，并在屏上形成暗纹；当一列波的波峰与另一列波的波峰相遇，叠加时使合成波的强度最大，并在屏上形成亮纹。上述杨氏双缝实验的构思精巧就在于次波源S[，1]和SR[，2]是由同一波源发出波的波面上取出的，因此，由次波源S[，1]和S[，2]发出的两列次波是相干光波。杨氏的这些创新性的工作为许多人所借鉴，像后来的很多干涉装置，例如菲涅耳双面镜、菲涅耳双棱镜、洛埃镜、比累对切透镜等设计思想都源于此。
图2 杨氏双缝干涉实验装置
图3 杨氏干涉条纹
在杨氏双缝实验中杨氏还给出了光波的波长与干涉条纹间距之间的关系
杨氏用此方法测出了各种颜色的光波波长，而且与现代的测算值相当吻合，接着杨氏还对出现于影界附近的衍射条纹给出了正确的解释，他把衍射看成是直接通过缝的光和边界光波之间的干涉。他还发现利用透明物质薄片同样可以观察到干涉现象，进而引导他对牛顿环进行研究，他用自己创建的干涉原理解释了牛顿环的成因和薄膜的颜色，从而完全确定了光的周期性，为光的波动理论找到了又一个强有力的证据。杨氏的这些富有价值的光学研究直到1818年，在巴黎科学院举行的以解释衍射现象为内容的有奖竞赛会上，年轻的菲涅耳出人意料地取得了优胜以后，才被人们所认识，这以后，光的波动说开始兴旺。到了19世纪中叶，光的波动说战胜了微粒说，在比较坚实的基础上确立起来。
总之，杨氏双缝实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作，由于它的重大意义，已作为物理学的经典实验之一流传于世，这个实验也为量子学说的创立起了至关重要的作用。