杨氏干涉实验

杨氏干涉实验（英语：Young's interference experiment），也称为杨氏双缝干涉仪（英语：Young's double-slit interferometer），是现代双缝实验的原始版本，由托马斯·杨在19世纪初进行。这个实验对波动光学的普遍接受起到了重要作用。根据杨格自己的认知，这是他众多成就中最重要的一个。

英国物理学者托马斯·杨。

17 和 18 世纪的光传播理论

在此时期，许多物理学家根据实验结果提出了波动光学，包括罗伯特·胡克、克里斯蒂安·惠更斯和李昂哈德·欧拉。然而，对光进行过多次实验研究的艾萨克·牛顿否定了波动光学，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。这一理论一直流行到19世纪初，尽管事实上许多现象，包括衍射或窄孔的影响、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没有相互碰撞的事实，这些都不能用微粒理论完美解释，尽管如此，该理论仍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·毕奥。

杨在波浪理论方面的工作

摘自1807年出版的一本书，内容涉及1802年杨格在伦敦皇家学院的演讲

1790年代，杨格在哥廷根学习医学时，写了一篇关于声音的物理和数学特性的论文，并在1800年向王家学会提交了一篇论文（传于1799年），其中他提出光也是一种波动。但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。他认为波动模型可以比微粒模型更好地解释光传播的许多特性，在文中他写道：

非常广泛的现象使我们更直接地得出相同的结论，这些现象主要包括光通过透光板或是通过衍射或折射来产生颜色，而这些现象没有一个是能以微粒发散假说的基础上足够全面的解释，即使是最直接的倡导者也不会满意微粒发散系统；而从另一个角度观察此问题，这些都可以立即被理解，从双光的干涉效果来看，其相互影响方式几乎类似于声音构成节拍的方式，当两根弦形成不完美的齐奏时，是听到一起震动。

杨格根据水波纹观察得出的干涉草稿图

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” 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。 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。 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，如下：

Modern illustration of the 双缝实验

假设任何特定颜色的光由特定宽度或特定频率的振幅组成，那么这些振幅现象必然会与我们已经在水波和声音的脉冲的现象相符。而波动理论已经表明，从彼此靠近的两个中心发出的两个相等振幅频率的波可以看到在某些点上破坏了彼此，而在其他点上它们的振幅则加倍；两个声音的拍频也已从类似的干涉中得到解释。而我们现在要将相同的原则应用于颜色的结合和消失。

为了使两部分光有效的相干涉，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产生；但最简单的情况是，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阻挡它们的平面上接收时，它们的亮度被暗条纹分成几乎相等的部分，但是间距随着表面离孔更远而变得更宽，以达成在所有距离处与孔形成几乎相等的夹角，并且随着孔彼此更靠近，也以相同的比例变宽。两部分的中间始终是亮纹，每条的亮纹距离，满足从其中一个孔投射在幕上的的光一定比从另一个孔投射的光经过更远的距离，距离相差等于一个、两个、三个或更多假定波动的波长，而中间的暗纹对应于半个假定波长、一个半、两个半，或更多。并且随着孔彼此更靠近，也以相同的比例变宽。

从各种实验的比较来看，构成极端红光的波长似乎在空气中约为千分之三十六英寸，极紫光的波长约为千分之六十英寸；整个光谱对于光的强度的平均值，约为千分之四十五英寸。从这些尺度可以得出结论，根据已知的光速计算，在一秒钟内必须有将近5亿个最慢的波长进入眼睛。如果使用两束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，于这些间隔中，再仔细观察时，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，接着是深红色，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，其后的黑暗区域呈现出深红色调；随后的灯光或多或少都是绿色的，黑暗的区域是紫色和微红色的；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。

Geometry for far-field fringes

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观测平面中特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。当路径长相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，两个波叠加相消，强度最小。

条纹间隔 - $\Delta y$ 为屏幕上条纹（具有最大亮度的线）之间的距离，可由下式给出：

$\Delta y=L\lambda /d$

其中$L$是狭缝和屏幕之间的距离，$\lambda$是光的波长和 $d$ 是如图所示的狭缝间隔。 条纹的角度差 θ_f,  由下式给出

$\theta _{f}\approx \lambda /d$

其中θ_f <<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、孔的间隔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，而杨格使用太阳光，因此观察到他上述的白光条纹。白光条纹图案可以被认为是由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——如同今天量测的结果。

1803年至1804年间，《爱丁堡评论》刊登了一系列对杨氏理论的匿名攻击。这位匿名作者（后来透露是《爱丁堡评论》的创始人亨利·布鲁厄姆）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格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执业，而不是物理学。

接受光的波动理论

1817年，包括西梅翁·德尼·帕松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。 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结合。

身为微粒理论支持者的西梅翁·德尼·帕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此理论是错误的。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，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 毫米的金属圆盘黏到到一块玻璃板上。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世纪才再次重回讨论主题。阿拉戈后来指出，约瑟夫-尼古拉·德利尔和贾科莫·菲利普·马拉尔迪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

• 波粒二象性
• 光电效应
• 光的微粒理论

外部链接

• 杨氏双缝干涉公式导引
• 双缝实验动画一 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 双缝实验动画二