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1、托马斯杨双缝演示应用于电子干涉背景资料光的本性是光学研究的重要课题。光是粒子还是波，这个问题在历史上经历了三个世纪 的争论。微粒说把光看成是微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，可以很简单地 说明光的直线传播性质。在整个18世纪，受牛顿牛顿威望的影响光的微粒说被普遍接受。微粒说，也叫发射说。 牛顿对光的本性没有作出明确判断，但是考虑到光的直线传播以及偏振现象，牛顿认为光的 波动说不能很好地说明，因此他反对波动说而主张微粒说，但他本人并非是微粒说的毫无保 留的坚持者和波动说偏执的反对者。不过他的学说的拥护者们完全忽视了他关于两种学说能 否获得统一的种种思考。牛顿在名著光学中曾以猝发理论来解
2、释薄膜颜色和牛顿环 现象，他所分析的不同颜色取决于猝发间隔的大小，与波动说中的波长有类似之处，他发 现的牛顿环，其实正是周期性的一个极好证明。与此同时，胡克和惠更斯则主张波动说，认 为光是在以太中传播的一种波。但是由于波动说缺乏数学基础，理论尚欠完善，再加上牛 顿力学正节节胜利，以符合力学规律的粒子行为来描述光学现象被认为是唯一合理的理论。 因此，在整个18世纪，微粒说占了上风，波动说处于劣势。但是随着光学实验的进一步深入，人们发现了许多不能用光的直进性解释的现象，例如： 干涉、衍射、偏振以及光速有限等等。这些现象用光的波动性很容易解释，于是到了 19世 纪，光的波动说取代了微粒说。在波动说的
3、复兴中，英国物理学家托马斯杨(1773-1829) 作出了重大贡献。19世纪初光的波动说迎来了复兴的春天，这首先要归功于英国科学家托马斯杨。托马 斯杨1773年6月13日出生在英国米菲尔顿城的一个富裕家庭，童年时就表现出惊人的才华， 聪慧过人，他两岁就能流利地念书，四岁前已读过两遍圣经，六岁学拉丁文法，随后还学法 语和意大利语。他心灵手巧，13岁时学会使用车床、制作望远镜、装订书本，并靠这些手 艺挣钱买书阅读。17岁时就已精通牛顿的力学和光学著作。他博览群书，广泛猎涉，他涉 猎过的领域有物理学、哲学、数学、医学、考古学和音乐、绘画。才华横溢，兴趣遍及文学、 科学和医学，对弹性力学很有研究，破译
4、过古埃及的象形文字。青年时多才多艺，他通晓希 腊语、拉丁语、法语、意大利语等语言，能演奏多种乐器，先后在伦敦、爱丁堡、哥廷根学 医，于1796年获哥廷根大学医学博士学位，1799年开始在伦敦开设一家诊所，以行医为业。 1797年由于叔父去世，他获得了大笔遗产，得以集中精力于物理学研究。1793年，他发表了关于生理光学的论文对视觉过程的观察研究了眼睛对距离的调 节问题，证明了眼睛能适应不同距离，是靠改变眼球水晶体的曲度来进行的。他继续这方面 的实验和研究，形成了他对光的本质的看法他成年后他决定选取的职业是医学。托马斯杨的光学研究始于对视觉器官的研究，第一 个发现眼球在注视不同距离的物体时会改变晶
5、状体的曲率。他对眼睛的构造和其光学特性进 行了研究，同时还致力于改进眼科医疗器械。就是在研究眼睛如何接受不同颜色的光这一问题时,托马斯杨对光的波动性有了进一步的认识，进而重新审查了牛顿的光学实验及其学说， 并应用波动理论成功地解释了光的干涉现象。他把声波和水波作了对比，在水面上如果从两 个相互靠得很近的中心A与B发出两列相同的波，这两列水波传开就会在某些点相互抵消， 在另外一些点上却相互加强。这种差拍现象，也是一种干涉效应。托马斯杨接着指出，光学 中各种颜色交替出现的现象（例如牛顿环）也可以同样用干涉原理来说明。1800年，杨向英国皇家学会提出在声和光方面的实验和问题的报告，这是非常值 得注意
6、的报告。对光的微粒说提出异议：一是既然发射出光微粒的力是多种多样的，为何所 有发光体发出的光具有相同的速度？二是光线由一种媒质进入另一种媒质时,为何同一类光 线有的被反射，有的却会透过去？托马斯杨认为，如果把光看成是类似于声音那样的波动， 则问题就会迎刃而解。在该文的声学部分，他根据水波的叠加现象，认为在声波叠加的情况 下,也会产生声音的加强和减弱，并首先提出干涉的术语。他认为，声和光都是波的传播， 光是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动，由于以太极稀薄，所以光以纵波形式传 播；光的颜色和不同频率的声音是类似的。他指出，在解释强光源和弱光源发出的光以同样 的速度传播的问题上，波动说要比粒
7、子说更容易，因为要理解光粒子只以一个不变的速度运 动是很困难的。该报告关于声学的论述中，杨提出了 干涉的概念，他分析了水波的干涉现象后指出， 在声波迭加时，也会产生声音的加强和减弱，复合的声调和拍频。1801年托马斯杨在一篇以光和色的理论为题的论文中，以假说的形式阐述了光的 波动理论：整个宇宙空间都充满着稀薄的、具有很大弹性的以太；以太也渗透到各种物体的 内部，在物体的周围以太的密度增大；光是发光体在以太中激起的波动，光的颜色取决于光 波动的频率。杨发展了惠更斯的光学理论，形成了波动光学的基本原理，他提出了光波的频 率和波长的概念，并解释了牛顿环现象，他指出，牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反
8、射 出的光互相重合产生干涉的结果：位相相反的振动迭加起来就互相抵消，位相同的则互相 加强。并用牛顿环实验第一个测出了在空气中红光和紫光的波长分别约为三万六千分之一英 寸和六万分之一英寸。也还把干涉引入到光学领域，阐述了他发现的简单而普遍的规律， 提出了著名的干涉原理：同一束光的两个不同部分，以不同的路径要么完全一样地，要么 在方向上十分接近地进入眼睛，在光线光程差是某个长度的整数倍的地方，光就增强，而在 干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。为了验 证自己的理论，托马斯杨做了著名的杨氏干涉实验。用实验的方法证实了他所提出的假设。 在实验中，他用一个屏幕遮住暗房
9、的窗子，屏上开有靠得很近的小孔，当这两孔比较大时， 穿过它们的阳光就在置于一定距离远的另一屏幕上形成两上光斑；当孔逐渐缩小至很小时， 穿过它们的光束在屏幕上所形成的两个光斑也就扩展开来，而彼此部分重叠，仔细观察可发 现，在屏幕上的可以受到来自两个孔的光束照射的区域，有一系列的暗条隔开的彩虹般的美 丽的条纹，与牛顿环十分相似。托马斯杨认为，要使两部分光的作用发生叠加，必须是这两 部分光发自同一光源，通过不同路线到达同一点。这正是托马斯杨高人一筹的地方。许多人 想用实验演示光的干涉现象，但是他们用的是两个不同的光源，这样的光叠加在一起，由于 光源的独立性，不会产生干涉，所以他们都失败了。托马斯杨用
10、干涉原理解释了牛顿环实验， 指出实验中出现的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相叠加产生干涉的结果，位相相 反振动叠加起来就互相抵消，位相相同的则互相加强。以后，杨还用干涉原理解释衍射现象，他指出光能绕过不透明物体的边缘产生 有色的影子,这实际上是衍射条纹，是由直接通过衍射缝的光和平共处边界波的干涉产生的。 杨还证实了惠更斯以波动说说明冰洲石（方解石）晶体中的双折射现象是正确的。1803年托马斯杨在关于物理光学的实验和计算一文中，用干涉原理解释了光的衍 射，并用一个简单的实验进行了说明，他让一锥形光束照射一条宽约三十分之一英寸的硬纸 条，观察它投射到墙上或屏上的影子。他写道：在阴影的两边可以
11、看到各种颜色的条纹， 阴影本身也被类似的、然而较细的平行条纹所分割。观察处在不同距离上的阴影，可发现条 纹的数目是不相等的，但阴影的正中间却是白色的。这些条纹是通过硬纸条边缘时发生了拐 折后进入阴影区产生的联合效应。说这是联合效应，是因为若在硬纸条的几英寸远的地方放 一小屏，让它挡住通过硬纸条某一边绕射来的光，这时虽然光仍可以通过另一边拐折，虽然 这一边也可能引起光的某种变化，但原来在墙上阴影区内观察到的条纹却立即消失。”在这篇论文中托马斯杨还仔细研究了各类光的衍射现象的实验结果，其中包括了牛顿的 光学中所列的观测报告，得出光在密度大的介质（例如水）中的速度应比它在密度小的 介质中的速度小，和
12、微粒说根据引力学说得出的结论正好相反。同时还提出：光的传播速度 从一种媒质到另一个更稠密的媒质中是变大还是变小，这是判断波动说和粒子说孰是孰非的 关键。如果能做一个实验直接比较这两种速度，就可以对波动说和微粒说的孰是孰非进行判 决。果然，后来在19世纪中叶相继有好几位实验物理学家精确地比较了水中和空气中的光 速，得到的结果，证实了水中的光速小于空气中的光速。托马斯杨巧妙地解决了光的相干性问题。他用单色光照射小孔S，再由S发散的光照射 相邻的另外两个孔S1和S2，于是在屏上就观察到了从S1和S2发出的两束光的干涉图像。后来，托马斯杨用狭缝代替小孔，得到的效果更明显，在屏上看到的干涉图像这就是 著
13、名的杨氏双缝干涉实验。托马斯杨还从测量到的光谱条纹间距，计算出了不同颜色的波长：红光：7X10-7米；紫光：4.2X10-7米；平均约为5.6X10-7米。这些结果和近代的精 确值近似相等。双缝干涉实验为托马斯杨的波动学说提供了确凿的证据，使微粒说遇到严重的挑战。 托马斯杨在他的论文中写道：尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一 失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。托马斯 杨这种不迷信权威，敢于坚持真理的态度使波动说在19世纪初开始得到了复兴。杨的实验和理论研究载入了他的名著自然哲学讲义中（1807年），在这本 书里，他描述了著名的杨氏双缝干涉实
14、验。杨为复兴光的波动说做出了一系列的杰出贡献， 但在当时并没有得到重视，反而遭来了猛烈的攻击。托马斯杨由于提出干涉原理而受到当时一些权威学者的围攻，有一位以牛顿学术权威自 居的布劳安攻击得最为刻薄，说托马斯杨的文章没有任何价值，称不上是实验”，干涉原 理是荒唐和不合逻辑的，等等。一二十年间，竟没有人理解托马斯杨的工作。据说，托 马斯杨为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，只卖出了一本”。但由于托马斯杨认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英 国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是不合逻辑的、荒谬的、毫无价值的。虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没
15、有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激 起了牛顿学派对光学研究的兴趣。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年， 法国的马吕斯发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动理论与事实矛盾。 然而，托马斯杨面对困难并没有动摇自己的科学信念，他写信给马吕斯说：您的实验证明 了我采用的理论（即干涉理论）有不足之处，但是这些实验并没有证明它是虚伪的。经过 几年的研究，托马斯杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳继续发展波 动理论的出发点。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。惠更斯曾 提出过光是一种纵波
16、，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证 据。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝 向有利于微粒说的方向发展。面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是 一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一 些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。在光的微粒说盛行时，托马斯杨提出了光的波动说，这是需要有非凡的勇气的，杨仰慕 牛顿的大名，但并不因此认为牛顿是万无一失的，更不慑于牛顿的巨大威望而止步不前。他 把光的现象与声波、水波的现象进行类比，勇敢地提出了光也是波动的假说，并设计了一系 列高超的实验加以验证，实验结果证实了他的设想，并使他在屡遭守旧派攻击下还能坚持自 己的科学信念。他的理论并不是完善的，这与当时的事实根据不足
