大學物理這門課講到光的幹涉這個知識點時,一般都會介紹楊氏雙縫幹涉實驗。
這個經典的實驗有力地證明瞭光具有波動性,該實驗最早是由英國著名物理學家託馬斯•楊設計並進行研究的。
託馬斯·楊, 圖片來源 搜狐網
1773年,託馬斯·楊出生於英國薩默塞特郡的一個富裕家庭,從小和外祖父一起生活。他很早就表現出了自己天才的一面:6歲時就通讀《聖經》,並開始用拉丁文寫作;14歲時已經掌握了希臘語、拉丁語、法語、意大利語等十幾種語言。
在舅舅理查德·布羅克萊斯比的鼓勵下,楊於1792年開始在倫敦聖巴塞洛繆醫院學醫,兩年後轉到了愛丁堡大學醫學院,之後又前往德國的哥廷根大學進行深造。最終獲得了哥廷根大學醫學博士學位。
值得一提的是,楊在學習醫學的同時還“不務正業”——經常搞一些自己感興趣的研究,比如生物學、語言學、考古學等。
儘管這些“不務正業”的研究分散了不少精力,但他仍然在醫學上取得了不小的成就。在進入聖巴塞洛繆醫院的第二年,楊把自己的第一篇論文自薦給倫敦皇家學會,因此被評為“一週科學人物”,時年20歲。
這篇論文闡述了眼睛的調節機制,關於眼睛如何聚焦在不同距離的物體上,楊認為是通過改變晶狀體的曲率來實現的。
1797年,楊進入了劍橋大學的伊曼紐爾學院繼續深造。同年,舅舅理查德·布羅克萊斯比去世了,留下一了大筆財產,讓他安心做研究。
翻年,楊在倫敦開始行醫。求學時,他就把精力分散到自己喜歡的研究上面來了。在成為一名醫生後,愈發“不務正業”,更積極地投入到自己感興趣的領域。
相對於醫學研究,楊更加喜歡研究“光”。
除了研究眼睛對焦之外,他也對散光進行了研究,並給出了散光的原因。
還在牛頓色散理論的基礎上進行了進一步的研究:發現了幾乎所有顏色的光都可以通過紅、綠、藍三種色光按照不同的比例合成。
基於這些成果,進行了大膽的假設:人的視神經只有感紅、感綠、感藍三種基本視神經。後來經過德國科學家亥姆霍爾茲的補充、驗證,最終形成了三色學說。
正是由於楊在色覺、眼睛對焦、散光等方面的卓越貢獻,他被後世稱為“生理光學的創始人”。
1801年,楊成為了倫敦皇家學會的自然哲學教授,每年在那裡舉辦60多次講座。後來又升職為倫敦皇家學會的秘書,並一直擔任這個職務直到去世。
話題倒回楊對光研究,他那時對物理學權威牛頓的“光的微粒說”產生了懷疑。
牛頓環是牛頓發現的一種物理現象,是光的波動性的有力證據之一,但是牛頓卻從自己信奉的微粒說出發來解釋牛頓環的形成,提出了“一陣容易反射,一陣容易透射”的複雜理論來解釋牛頓環的成因,但是這個理論並不完美,存在一些模糊點。
出於牛頓在物理學界超然的地位,很長時間內沒有人對此提出質疑。
在研究光的過程中,楊漸漸有了一個大膽的想法,並假設進行了一系列實驗來進行驗證,最後發表論文,通過光波的幹涉解釋了牛頓環和衍射現象的成因。
1807年,楊出版了自己的著作《自然哲學講義》,書中首次描述了那個名揚千古的實驗——楊氏雙縫幹涉實驗。
楊氏雙縫幹涉實驗,圖片來源:百度百科
《自然哲學講義》掀起了物理學史上的“第二次波粒戰爭”,它的作者楊也飽受信奉微粒說的學者們的攻訐。
當時學界主流是信奉牛頓的微粒說,所以楊承受了巨大的壓力,最終只好選擇退出,不再對光進行研究。
但楊氏雙縫幹涉實驗的實驗現象卻不以人的意志為轉移。該實驗展示出的現象無法通過微粒說來進行解釋,但是通過波動說得出的理論結果和實驗結果卻吻合得很好,這是光具有波動性無可辯駁的證據。
楊氏雙縫幹涉實驗:將一根蠟燭置於一個開有小孔的紙板前面,二者形成了一個點光源。再讓點光源發出的光經過兩條平行的狹縫,投射到光屏上即可。光屏上會出現一系列明暗相間的條紋,即幹涉條紋。
這個經典實驗雖然並不複雜,但在物理學史上的意義卻十分重大。後世評選了“物理學史上最美的十個實驗”,它名列第五。
1829年,託馬斯•楊在倫敦與世長辭,享年56歲。被安葬於肯特郡法恩巴勒的聖吉爾斯教堂的墓地。安葬了牛頓的威斯敏斯特大教堂內則安放了一塊大理石碑,來紀念他。
楊生前還為《大不列顛百科全書》撰寫了63篇文章,其中包括人物傳記和一些關於橋、色彩論、埃及、語言、潮汐等方面的論文。
他的一生研究領域甚廣:光學、生理光學、語言學、聲學、船舶工程、潮汐理論、象形文字……這是一個達芬奇式的“通才”,被後人譽為“最後一個知道一切的人”。
託馬斯•楊天資聰穎,但是並沒有像很多少年天才那樣不思進取長大後泯然眾人矣。他沒有以專業領域束縛自己,沒有耽於享樂,而是一生孜孜不倦地追求科學真理。
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參考資料
[1] Lauren Kassell. The Last TrueKnow-It-All[J]. American Scientist,2006,94(4).
[2] 曹天元. 上帝擲骰子嗎?量子力學史話[M]. 遼寧教育出版社, 2006.
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責編/Wendy
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