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Thomas Young(http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young_(scientist))被称为”在人世间几乎每样学问都声名卓著“的人。年轻的时候,为了当个务正业的好医生,他经常匿名发表学术文章。
图1 Thomas Young
1802年,Young热情洋溢地开始四处宣传光的波动学说。那个做派,像极了现在的民科。当然,那个时候,Young已经早就当上皇家协会会士了。依然是为了证明自己是个好医生,他在1803年从皇家研究院辞去了教授席位,但是那个民科劲头,依然是让人敬佩不已。
(所以,民科,只有民科,才是科学进步的第一推动力。)
我们都知道,Young留给后世最著名的工作,便是杨氏双缝干涉实验。但是,大家并不清楚,为什么Young的实验对波动光学的建立有如此重要的意义。
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牛顿环是牛顿的实验工作之一。为了解释牛顿环,牛顿想了非常多的办法。比如为了解释牛顿环中的黑环,他专门创造了一种单纯的颜色:“黑色”。但是,这依然解释不了牛顿环为什么会有某种“波动”的特征,所以他只好认为当光从一种介质进入另一种介质的时候,使得“以太”或者其他光介质波动了。第一拨光线主要负责开路,然后后面以不同角度射入的光线按照波动规律冲进来。。。这种讲法非常含混,而且比民科还要民科,也没什么计算依据,最好牛顿只好说:“But whether this Hypothesis be true or false I do not here
consider.”(我在这里不考虑这个假设的真假)(Sir Issacc Newton,Optiks:or,a
TREATISE OF THE Reflections, Refractions Inflections and Colours Of LIGHT.281页末尾)
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Young 对牛顿的反驳非常富有艺术性。在1801年发表的演讲中,先大段引用了牛顿原文,来说明自己的观点,这很像当年红卫兵们打嘴仗前必须引用毛主席语录。 (The Bakerian lecture, On the theory of Light and Colours,Nov 12,1801)其目的无非说明牛顿他老人家也是支持波动学说的,只是牛顿有点迷糊而已。然后,Young重复了一些牛顿做过的实验,尤其如肥皂泡的表面,牛顿环,空气隙等等实验,强调自己解释和牛顿的不同。顺便还找上了当年Hooke等等的话和实验,然后给出了他自己的结论:光就是以太的波动;而不同颜色的光,实际上是不同波长的以太波动。
结果可想而知,大家虽然肯定了Young对颜色的有些解释,但是Young对牛顿他老人家的阳奉阴违,引起了眼睛雪亮的皇家科学院大众的极大愤慨。
(7)
Young终于找到了一个牛顿学说的重要漏洞:牛顿对牛顿环的”波动“式的解释,必须要光从一种媒质进入另一种媒质时才有效;而光波的衍射和干涉在同一种介质中也会发生。
因此,这个发源于1600年的Grimaldi(http://en.wikipedia.org/wiki/Francesco_Maria_Grimaldi)的古老的衍射实验,终于变形成为了杨氏干涉实验(http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_interference_experiment)。
为了大家容易理解他的实验现象,他专门用水为例,搞了个纹波箱,通过水波的实验来说明干涉现象是什么样子。(http://en.wikipedia.org/wiki/Ripple_tank)
为了让人人都做上光的干涉实验,Young给大家介绍了个简单的办法(The Bakerian lecture, Experiments and Calculations relative to physical optics,Nov. 24,1803):
在窗帘上开个孔,然后再用带针孔的小纸片蒙住孔,这样阳光仅仅从针孔穿过,就可以由于衍射情况而以锥形的方式而散开。现在用一个有1/30英寸宽(不到1mm)的小纸片放到光路中间,最后在墙上看到的不是小纸片形成的阴影,而是从小纸片两个边沿来的光由于相互干涉而形成的干涉条纹。
这个简单的实验办法,就是我们后来所谓的杨氏干涉实验。
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由于杨氏干涉实验是如此有名,我不是选用一张杨氏实验的图示(随便找本教科书,你都可以找到这个实验)来表现它,而是选用了一张我自摄的图片,来纪念这思想的涟漪:
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