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物理学 1804

关于物理光学的实验与计算

托马斯·杨

光分作两路后交叠成明暗条纹——所以光必定是一种波。

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In depth · the introduction

让光穿过两个开口,在两束光重叠之处,你看到的不是更亮的一团模糊——而是一道道条纹。那正是波的指纹。

核心想法

往平静的水面丢两颗石子,涟漪荡开、彼此交错。两道波峰相遇,便叠成更高的峰;波峰遇上波谷,则抹平为乌有。托马斯·杨证明,光做的正是同一件事。让一束光沿两条略有差别的路径走,再合到一起,它们在某些地方相加、在另一些地方相消——排出一列明暗交替的条纹,他称之为干涉条纹。

粒子做不到这一点。两股小子弹相遇,永远只会是更多的子弹;它们绝不会相消、留下一道暗缝。所以这些条纹就是证据:光以波的方式行进。而条纹的间距,又告诉了杨一件前人从未量过的事——单独一个光波的长度:小得惊人,只有千分之几毫米,而且每种颜色各不相同。

它是如何诞生的

一百年里,艾萨克·牛顿那高耸的权威已经把事情定了案:光是一阵微小粒子,即「微粒」。在英国说别的话,几乎等同于异端。能来做这件事的人,正是托马斯·杨——一位医生,也是最后几位真正的博学通才之一,他甚至在业余还帮着破译了罗塞塔石碑上的象形文字。

约在 1803 年,杨找到一个简单到只需阳光的演示。他让一束细窄的阳光,从针孔进入暗室,再把一张窄卡片侧着举进光束里,把它一分为二。在远处的墙上,卡片的影子被彩色条纹划开——而对一个普通影子来说不可思议的是:它的正中央竟然是亮的。1803 年,他把这些读给了皇家学会。回应是嘲弄:一位匿名批评者奚落了他,英国又抱着牛顿多撑了十五年,直到法国人奥古斯丁·菲涅耳,给了杨的想法无可辩驳的数学。

它为何重要

确认了光是一种波,重塑了整个物理学。经由菲涅耳、再到麦克斯韦,它最终通向一个发现:光是一种电磁波;它还给了科学一件精密工具——干涉——靠数条纹来测量极微小的距离。两个世纪之后,正是同一个实验,一次只放一个粒子去做,成了窥见量子力学之诡异最清澈的一扇窗。

一个可以想象的画面

想象两只音箱,播放着完全相同的一个纯音。你沿着它们前方的墙慢慢走,声音便一会儿涨、一会儿落,涨了又落:在某些位置,两道声波同步到来、彼此加强;在另一些位置,它们错步到来、相消成一处安静。杨的明暗条纹,就是这些响处与静处——只不过换成了光而非声,而且间距细到你看见的是条纹,而非听见的是寂静。

可交互的双缝干涉:一个滑块调狭缝间距、一个调波长(颜色),重绘屏上的明暗条纹与强度曲线,并在中央亮纹与一级亮纹之间标出条纹间距——狭缝越宽或光越蓝,条纹就挤得越密。

它的位置

克里斯蒂安·惠更斯早在 1690 年便主张光以波的方式传播,但牛顿那套对手般的粒子图像曾占了上风。杨的条纹,把天平扳了回来;菲涅耳的数学,把它钉死;而麦克斯韦后来揭示了光究竟是哪一种波——电场与磁场的一道涟漪。同一个「两条路径」的实验,如今活在物理学的两个极端:既在像 LIGO 那样、聆听引力波的巨型干涉仪里,也在量子实验室中,让单个粒子显出波的模样。

The original document
Original source text
Thomas Young · Phil. Trans. R. Soc. Lond. 94 (1804): 1–16 · read 24 November 1803
In making some experiments on the fringes of colours accompanying shadows, I have found so simple and so demonstrative a proof of the general law of the interference of two portions of light, which I have already endeavoured to establish, that I think it right to lay before the Royal Society, a short statement of the facts which appear to me so decisive.
The general law
Whenever two portions of the same light arrive at the eye by different routes, either exactly or very nearly in the same direction, the light becomes most intense when the difference of the routes is any multiple of a certain length, and least intense in the intermediate state of the interfering portions; and this length is different for light of different colours.
The experiment
I made a small hole in a window-shutter, and covered it with a piece of thick paper, which I perforated with a fine needle. … I brought into the sun-beam a slip of card, about one-thirtieth of an inch in breadth, and observed its shadow, either on the wall, or on other cards held at different distances.
Besides the fringes of colour on each side of the shadow, the shadow itself was divided by similar parallel fringes, of smaller dimensions, differing in number, according to the distance at which the shadow was observed, but leaving the middle of the shadow always white.
[ … ]
From a comparison of various experiments, it appears that the breadth of the undulations constituting the extreme red light must be supposed to be, in air, about one 36 thousandth of an inch, and those of the extreme violet about one 60 thousandth.
Read before the Royal Society of London · 24 November 1803