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杨氏干涉实验（英语：Young's interference experiment），也称为杨氏双缝干涉仪，是现代双缝实验的原始版本，由汤玛士·杨格在 19 世纪初进行。这个实验对普遍接受光的波动理论[1]起到了重要作用。根据杨格自己的判断，这是他众多成就中最重要的一个。
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17 和 18 世纪的光传播理论
[编辑]在此期间，许多科学家根据实验观察提出了光的波动理论，包括罗伯特·虎克、克里斯蒂安·惠更斯和李昂哈德·欧拉.[2]。 然而，对光进行过多次实验研究的艾萨克·牛顿拒绝了光的波动理论，并发展了他的光的微粒理论，根据该理论，光以微小粒子的形式从发光体中发射出来。[3]这一理论一直流行到 19 世纪初，尽管事实上许多现象，包括衍射边缘或窄孔中的影响、薄膜和昆虫翅膀的颜色，以及当两束光束交叉时光粒子明显不能相互碰撞，这些都不能用微粒理论充分解释，尽管如此，它有许多杰出的支持者，包括皮耶-西蒙·拉普拉斯和尚-巴蒂斯特·必欧。
杨在波浪理论方面的工作
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1790 年代在哥廷根学习医学时，杨格写了一篇关于声音的物理和数学特性的论文[4]，并在 1800 年向王家学会提交了一篇论文（写于 1799 年），其中他认为光也是一种波运动。他的想法受到了一定程度的怀疑，因为它与牛顿的微粒理论相矛盾。尽管如此，他继续发展他的想法。他认为波模型可以比微粒模型更好地解释光传播的许多方面：
一类非常广泛的现象更直接地使我们得出相同的结论；它们主要包括通过透明板产生颜色，以及通过衍射或折射，其中没有一个是在辐射假设的基础上以足够详细或全面的方式来解释的，即使是最坦率的倡导者也不会满意射弹系统；而另一方面，所有这些都可以立即理解，从双光的干涉效果来看，其方式几乎类似于在声音中构成节拍感觉的方式，当两根弦形成不完美的齐奏时，是听到一起震动。[5]
1801年，杨格向皇家学会提交了一篇题为“关于光与颜色的理论”[7] 的著名论文，其中描述了各种干涉现象。1803年，他描述了他著名的干涉实验。[8] 与现代双缝实验不同，杨格的实验通过一个小孔反射阳光（使用转向镜），并使用纸卡将细光束分成两半。[6][8][9] 他在对实验的描述中也提到了让光通过两个狭缝的可能性：
为了使两部分光的效果如此结合，它们必须来自同一源头，并且它们通过不同的路径到达同一点，方向彼此相差不大。这种偏差可以通过衍射、反射、折射或这些效应中的任何一种组合在一个或两个部分中产生；但最简单的情况似乎是，当一束均匀的光落在屏幕上时，屏幕上有两个非常小的孔或狭缝，可以认为是发散中心，光从那里向各个方向衍射。在这种情况下，当两个新形成的光束被一个放置在截取它们的表面上接收时，它们的光被暗条纹分成几乎相等的部分，但是随著表面离孔更远而变得更宽，以便在所有距离处与孔形成几乎相等的角度，并且随著孔彼此更靠近，也以相同的比例变宽。两部分的中间始终是光，每侧的亮条纹距离如此之远，以至于从其中一个孔进入它们的光一定比从另一个孔进入的光穿过更长的空间，通过一个间隔等于一个、两个、三个或更多假定波浪的宽度，而中间的暗空间对应于半个假定波浪、一个半、两个半，或更多的。并且随著孔彼此更靠近，也以相同的比例变宽。两部分的中间始终是光，每侧的亮条纹距离如此之远，以至于从其中一个孔进入它们的光一定比从另一个孔进入的光穿过更长的空间，通过一个间隔等于一个、两个、三个或更多假定波浪的宽度，而中间的暗空间对应于半个假定波浪、一个半、两个半，或更多的。并且随著孔彼此更靠近，也以相同的比例变宽。两部分的中间始终是光，每侧的亮条纹距离如此之远，以至于从其中一个孔进入它们的光一定比从另一个孔进入的光穿过更长的空间，通过一个间隔等于一个、两个、三个或更多假定波浪的宽度，而中间的暗空间对应于半个假定波浪、一个半、两个半，或更多的。 从各种实验的比较来看，构成极端红光的起伏宽度似乎必须假定在空气中约为千分之三十六分之一英寸，极紫光的起伏宽度约为千分之一；整个光谱的平均值，相对于光的强度，约为千分之一四十五分之一。从这些维度可以得出结论，根据已知的光速计算，在一秒钟内必须有将近 5 亿个最慢的波动进入眼睛。两部分白光或混合光的组合，当从远处观察时，显示出一些白色和黑色的条纹，对应于这个间隔：尽管在仔细观察时，会出现无限数量的不同宽度条纹的明显效果复合在一起，从而产生美丽多样的色彩，逐渐相互融合。中央的白色首先变成淡黄色，然后变成黄褐色，接著是深红色，然后是紫色和蓝色，从远处看，它们一起看起来像一条深色条纹；在此之后，一道绿光出现，其后的黑暗空间呈现出深红色调；随后的灯光或多或少都是绿色的，黑暗的空间是紫色和微红色的；到目前为止，红光似乎在所有这些效果中占主导地位，以至于红色或紫色条纹在混合条纹中占据几乎相同的位置，就好像它们的光是分开接收的一样。从远处看，它们一起出现，就像一条黑色条纹；在此之后，一道绿光出现，其后的黑暗空间呈现出深红色调；随后的灯光或多或少都是绿色的，黑暗的空间是紫色和微红色的；到目前为止，红光似乎在所有这些效果中占主导地位，以至于红色或紫色条纹在混合条纹中占据几乎相同的位置，就好像它们的光是分开接收的一样。从远处看，它们一起出现，就像一条黑色条纹；在此之后，一道绿光出现，其后的黑暗空间呈现出深红色调；随后的灯光或多或少都是绿色的，黑暗的空间是紫色和微红色的；到目前为止，红光似乎在所有这些效果中占主导地位，以至于红色或紫色条纹在混合条纹中占据几乎相同的位置，就好像它们的光是分开接收的一样。[5]
该图显示了远场观察平面的几何结构。可以看出，从两个点光源传播到视平面中给定点的光的相对路径随角度 θ 的变化而变化，因此它们的相对相位也发生变化。当路径差等于波长的整数倍时，两个波相加得到最大亮度，而当路径差等于波长的一半或一倍半等时，两个波叠加取消，强度最小。 线性间隔（距离） - 屏幕上条纹（具有最大亮度的线）之间的距离由以下等式给出：
在哪里是狭缝和屏幕之间的距离，是光的波长和 是如图所示的狭缝分离。 条纹的角间距 θf, 由下式给出
其中θf <<1，λ 是光的波长。可以看出，正如杨格所指出的那样，条纹的间距取决于波长、孔的间距以及狭缝与观察平面之间的距离。 当光源具有单一波长时，此表达式适用，而杨使用太阳光，因此正在观察他上面描述的白光条纹。白光条纹图案可以被认为是由一组不同颜色的单独条纹图案组成的。这些都在中心有一个最大值，但它们的间距随波长而变化，叠加的图案颜色也会不同，因为它们的最大值会出现在不同的地方。通常只能观察到两个或三个条纹。杨格使用这个公式估计紫光的波长为 400 nm，而红光的波长大约是它的两倍——我们今天同意的结果。
1803 年至 1804 年间，《爱丁堡评论》刊登了一系列对杨氏理论的无名攻击。这位匿名作者（后来透露是《爱丁堡评论》的创始人Henry Brougham）成功地削弱了杨格在读者中的信誉，以至于一家承诺出版杨的皇家学院讲座的出版商退出了这笔交易。这一事件促使杨更多地关注他的医疗实践，而不是物理学。[10]
接受光的波动理论
[编辑]1817 年，包括Siméon Denis Poisson在内的法国科学院的微粒理论家非常有信心，他们将明年的奖项主题定为衍射，并确信粒子理论家会赢得它。[4] 奥古斯丁·菲涅耳提交了一篇基于波动理论的论文，其内容包括惠更斯原理和杨格的干涉原理的综合。[2]
泊松详细研究了菲涅耳的理论，当然也在寻找一种方法来证明他是光粒子论的支持者是错误的。泊松认为他发现了一个缺陷，他认为菲涅耳理论的一个结果是在一个圆形障碍物的阴影中存在一个轴上的亮点来阻挡点光源，根据光的粒子论。菲涅耳的理论不可能是真的，泊松宣称：这个结果肯定是荒谬的。（帕松光斑在日常情况下不容易观察到，因为大多数日常光源都不是好的点光源。事实上，它在一颗中等亮度恒星的散焦望远镜图像中很容易看到，它表现为同心衍射环阵列中的一个明亮中心点。）
然而，委员会主席弗朗索瓦·阿拉戈认为有必要更详细地进行实验。他用蜡将一个 2 毫米的金属圆盘模塑到一块玻璃板上。[11]出乎所有人的意料，他成功地观察到了预测点，这让大多数科学家相信了光的波动性。最终，菲涅耳赢得了比赛。
之后，光的微粒学说就被打败了，直到20世纪才再次传闻。阿拉戈后来指出，约瑟夫-尼古拉·德利尔[1][11] and Giacomo F. Maraldi[12]在一个世纪前 就已经观察到这种现象（有时称为阿拉戈光斑）
参阅
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参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Heavens, O. S.; Ditchburn, R. W. Insight into Optics. John Wiley & Sons. 1991. ISBN 978-0-471-92769-3.
- ^ 2.0 2.1 Born, M.; Wolf, E. Principles of Optics. Cambridge University Press. 1999. ISBN 978-0-521-64222-4.
- ^ Magic Without Lies. Cosmos: Possible Worlds. 第9集. 6 April 2020. National Geographic.
- ^ 4.0 4.1 Mason, P. The Light Fantastic. Penguin Books. 1981. ISBN 978-0-14-006129-1.
- ^ 5.0 5.1 Young, T. A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts 1. William Savage. 1807. Lecture 39, pp. 463–464. doi:10.5962/bhl.title.22458.
- ^ 6.0 6.1
Rothman, T. Everything's Relative and Other Fables in Science and Technology
. John Wiley & Sons. 2003. ISBN 978-0-471-20257-8.
- ^
Young, T. The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1802, 92: 12–48. JSTOR 107113. doi:10.1098/rstl.1802.0004
.
- ^ 8.0 8.1 Thomas Young's experiment. www.cavendishscience.org. [2017-07-23].
- ^ Veritasium, The Original Double Slit Experiment, 2013-02-19 [2017-07-23]
- ^ Robinson, Andrew. The Last Man Who Knew Everything. New York, NY: Pi Press. 2006: 115–120. ISBN 0-13-134304-1.
- ^ 11.0 11.1 Fresnel, A. J. Oeuvres Completes d'Augustin Fresnel: Théorie de la Lumière. Imprimerie impériale. 1868: 369.
- ^ Maraldi, G. F. Diverses expériences d'optique. Mémoires de l'Académie Royale des Sciences (Imprimerie impériale). 1723: 111.
外部链接
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