托马斯·杨的干涉理论和双缝实验

英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young， 1773—1829)迈出了这胜利进军的第一步。1800 年他向皇家学会提出了《在声和光方面的实验和问题》的报告。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，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。在声波叠加的情况下，会产生声音的加强和减弱，复合的声调和拍频。“干涉”这个术语就是他最先提出的。

在 1801 年发表的一篇报告中，托马斯·杨提出了光波的频率和波长的概念，提出干涉原理并解释了“牛顿环”现象。他写道：

“同一束光的两个不同部分，以不同的路径要末完全一样地，要末在方向上十分接近地进入眼睛，在光线路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。”[2]

他指出牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相重合而产生“干涉”的结果。相位相反的振动叠加起来就互相抵消，相位相同的则互相加强。他用实验的方法确证了他所提出的这一假设。他用紫外光投射到薄层上，使紫外光从上下两个界面反射产生干涉。由于紫外光是人眼所看不见的，他就让反射光落在涂有氯化银溶液的纸上，结果出现了黑环， 从而证明了他的干涉原理。他精确地确定了各种色光的波长值。他指出： “根据各种实验的比较，组成极端红光的波的宽度，在空气中，应假定约为三万六千分之一英寸，极端紫光的约为六万分之一英寸。”[2]

在 1803 年 11 月 24 日写的《关于物理光学的实验和计算》的论文中， 托马斯·杨把干涉原理应用于解释衍射现象，并用一个非常简单、非常直观的实验证明这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生的。杨氏在护窗板上钻一个小孔，用一张钻有针孔的厚纸片把它盖住，在通过孔后的阳光途中放一宽约 1/30 英寸的硬纸条，然后观察硬纸条投射到墙上或屏上的影子。他写道：

“除了在影子两侧出现了彩色的带外，我还看到影子本身也被分割成若干个这样的带，带的数目与硬纸到影子的距离有关，而且，影子的中央部分总是白色的。由于光线从硬纸条的两个侧边通过时它会发生曲折或者向影子内部衍射，所以光的这些不同部分互相共同作用的结果就产生了这些彩色带。我只要把一块不大的纸板放在硬纸条前面，使它只挡住硬纸条一侧的光线(纸板阴影的边缘正好落在硬纸条上)，或者将纸板放在硬纸条后面数英寸处，使它只挡住硬纸条投向墙上的阴影的一部分，此时，原先观察到的硬纸投射到墙上的影子中的全部彩带立刻就消失了，虽然这时候从硬纸条的另一侧边衍射出的光并没有被挡住⋯⋯。”[4]

托马斯·杨在 1807 年出版的《自然哲学讲义》中，进一步阐述了干涉原理，描述了著名的衍射试验。他首先指出干涉现象是波动的普遍特征。他写道：“如果认为任何一定颜色的光都是由一定宽度即一定频率的振动所组成，那么，该波一定是会产生我们在水波和声脉冲中所考察过的那种效应。我们已经指出，由两邻近中心发出的两个相同的波系，可以在某些点上相互抵消其效应，而在其他一些点上倍增其效应。两音叉的拍频也可以从同样的干涉获得解释。对于光的加强与削弱，我们现在应用同一的原理。”[11]

接着，他提出了光的干涉现象产生的条件以及获得相干光的方法。他说：“要使光的两部分效应可以这样地叠加，它们必定要来自同一光源， 而且必须从彼此偏离不大的方向经过不同的途径到达同一点。”[11]为了获得两束相干光必须使用同一个光源，然后再用衍射、反射、折射等方法， 或者同时使用这几种方法把光束劈开。他指出“最简单的方法是使均匀的光束射到有两个小孔或两个狭缝的屏上，这些小孔或狭缝可以看作是散射中心，光由此向一切方向衍射。”[11]接着杨氏谈到干涉条纹的形状，并

指出产生亮纹、暗纹的条件。

他写道：“在这种情况下，当两个重新形成的光束投射到安置在它们行程上的屏面上时，光束好象被许多黑线条分割成大体上相等的亮带，⋯⋯在图象中心总是出现亮带，而其他的亮带则分布在图象中央的两侧。亮带之间的间距是：光分别从两个狭缝到达各亮带的光程差正好等于半波长的偶数倍；光分别从两个狭缝到达各条暗带的光程差正好等于半波长的奇数倍。”[4]

图 9—4 杨氏的干涉实验

杨氏完满地解释了光的干涉现象，提出了干涉原理，并且测定了光的波长，对光的波动理论作出了重要的贡献。但是，他的见解大部分是定性的，而且由于他认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点，没有立即得到科学界的普遍承认。这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果就这样被埋没了将近 20 年。直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯·杨才获得了应有的荣誉。