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楊氏干涉實驗（英語：Young's interference experiment），也稱為楊氏雙縫干涉儀，是現代雙縫實驗的原始版本，由湯瑪士·楊格在 19 世紀初進行。這個實驗對普遍接受光的波動理論[1]起到了重要作用。根據楊格自己的判斷，這是他眾多成就中最重要的一個。

英國物理學者湯瑪士·楊格。

17 和 18 世紀的光傳播理論

在此期間，許多科學家根據實驗觀察提出了光的波動理論，包括羅伯特·虎克、克里斯蒂安·惠更斯和李昂哈德·歐拉.[2]。 然而，對光進行過多次實驗研究的艾薩克·牛頓拒絕了光的波動理論，並發展了他的光的微粒理論，根據該理論，光以微小粒子的形式從發光體中發射出來。[3]這一理論一直流行到 19 世紀初，儘管事實上許多現象，包括衍射邊緣或窄孔中的影響、薄膜和昆蟲翅膀的顏色，以及當兩束光束交叉時光粒子明顯不能相互碰撞，這些都不能用微粒理論充分解釋，儘管如此，它有許多傑出的支持者，包括皮耶-西蒙·拉普拉斯和尚-巴蒂斯特·必歐。

楊在波浪理論方面的工作

摘自1807年出版的一本書，內容涉及1802年楊格在倫敦皇家學院的演講

1790 年代在哥廷根學習醫學時，楊格寫了一篇關於聲音的物理和數學特性的論文[4]，並在 1800 年向王家學會提交了一篇論文（寫於 1799 年），其中他認為光也是一種波運動。他的想法受到了一定程度的懷疑，因為它與牛頓的微粒理論相矛盾。儘管如此，他繼續發展他的想法。他認為波模型可以比微粒模型更好地解釋光傳播的許多方面：

一類非常廣泛的現象更直接地使我們得出相同的結論；它們主要包括通過透明板產生顏色，以及通過衍射或折射，其中沒有一個是在輻射假設的基礎上以足夠詳細或全面的方式來解釋的，即使是最坦率的倡導者也不會滿意射彈系統；而另一方面，所有這些都可以立即理解，從雙光的干涉效果來看，其方式幾乎類似於在聲音中構成節拍感覺的方式，當兩根弦形成不完美的齊奏時，是聽到一起震動。[5]

楊格根據水波紋觀察得出的干涉草稿圖[6]

1801年，楊格向皇家學會提交了一篇題為“關於光與顏色的理論”[7] 的著名論文，其中描述了各種干涉現象​​。1803年，他描述了他著名的干涉實驗。[8] 與現代雙縫實驗不同，楊格的實驗通過一個小孔反射陽光（使用轉向鏡），並使用紙卡將細光束分成兩半。[6][8][9] 他在對實驗的描述中也提到了讓光通過兩個狹縫的可能性：

Modern illustration of the 雙縫實驗

為了使兩部分光的效果如此結合，它們必須來自同一源頭，並且它們通過不同的路徑到達同一點，方向彼此相差不大。這種偏差可以通過衍射、反射、折射或這些效應中的任何一種組合在一個或兩個部分中產生；但最簡單的情況似乎是，當一束均勻的光落在屏幕上時，屏幕上有兩個非常小的孔或狹縫，可以認為是發散中心，光從那裡向各個方向衍射。在這種情況下，當兩個新形成的光束被一個放置在截取它們的表面上接收時，它們的光被暗條紋分成幾乎相等的部分，但是隨著表面離孔更遠而變得更寬，以便在所有距離處與孔形成幾乎相等的角度，並且隨著孔彼此更靠近，也以相同的比例變寬。兩部分的中間始終是光，每側的亮條紋距離如此之遠，以至於從其中一個孔進入它們的光一定比從另一個孔進入的光穿過更長的空間，通過一個間隔等於一個、兩個、三個或更多假定波浪的寬度，而中間的暗空間對應於半個假定波浪、一個半、兩個半，或更多的。並且隨著孔彼此更靠近，也以相同的比例變寬。兩部分的中間始終是光，每側的亮條紋距離如此之遠，以至於從其中一個孔進入它們的光一定比從另一個孔進入的光穿過更長的空間，通過一個間隔等於一個、兩個、三個或更多假定波浪的寬度，而中間的暗空間對應於半個假定波浪、一個半、兩個半，或更多的。並且隨著孔彼此更靠近，也以相同的比例變寬。兩部分的中間始終是光，每側的亮條紋距離如此之遠，以至於從其中一個孔進入它們的光一定比從另一個孔進入的光穿過更長的空間，通過一個間隔等於一個、兩個、三個或更多假定波浪的寬度，而中間的暗空間對應於半個假定波浪、一個半、兩個半，或更多的。 從各種實驗的比較來看，構成極端紅光的起伏寬度似乎必須假定在空氣中約為千分之三十六分之一英寸，極紫光的起伏寬度約為千分之一；整個光譜的平均值，相對於光的強度，約為千分之一四十五分之一。從這些維度可以得出結論，根據已知的光速計算，在一秒鐘內必須有將近 5 億個最慢的波動進入眼睛。兩部分白光或混合光的組合，當從遠處觀察時，顯示出一些白色和黑色的條紋，對應於這個間隔：儘管在仔細觀察時，會出現無限數量的不同寬度條紋的明顯效果複合在一起，從而產生美麗多樣的色彩，逐漸相互融合。中央的白色首先變成淡黃色，然後變成黃褐色，接著是深紅色，然後是紫色和藍色，從遠處看，它們一起看起來像一條深色條紋；在此之後，一道綠光出現，其後的黑暗空間呈現出深紅色調；隨後的燈光或多或少都是綠色的，黑暗的空間是紫色和微紅色的；到目前為止，紅光似乎在所有這些效果中占主導地位，以至於紅色或紫色條紋在混合條紋中佔據幾乎相同的位置，就好像它們的光是分開接收的一樣。從遠處看，它們一起出現，就像一條黑色條紋；在此之後，一道綠光出現，其後的黑暗空間呈現出深紅色調；隨後的燈光或多或少都是綠色的，黑暗的空間是紫色和微紅色的；到目前為止，紅光似乎在所有這些效果中占主導地位，以至於紅色或紫色條紋在混合條紋中佔據幾乎相同的位置，就好像它們的光是分開接收的一樣。從遠處看，它們一起出現，就像一條黑色條紋；在此之後，一道綠光出現，其後的黑暗空間呈現出深紅色調；隨後的燈光或多或少都是綠色的，黑暗的空間是紫色和微紅色的；到目前為止，紅光似乎在所有這些效果中占主導地位，以至於紅色或紫色條紋在混合條紋中佔據幾乎相同的位置，就好像它們的光是分開接收的一樣。[5]

Geometry for far-field fringes

該圖顯示了遠場觀察平面的幾何結構。可以看出，從兩個點光源傳播到視平面中給定點的光的相對路徑隨角度 θ 的變化而變化，因此它們的相對相位也發生變化。當路徑差等於波長的整數倍時，兩個波相加得到最大亮度，而當路徑差等於波長的一半或一倍半等時，兩個波疊加取消，強度最小。 線性間隔（距離） - 屏幕上條紋（具有最大亮度的線）之間的距離由以下等式給出：

在哪裡是狹縫和屏幕之間的距離，是光的波長和 是如圖所示的狹縫分離。 條紋的角間距 θf,  由下式給出

其中θf <<1，λ 是光的波長。可以看出，正如楊格所指出的那樣，條紋的間距取決於波長、孔的間距以及狹縫與觀察平面之間的距離。 當光源具有單一波長時，此表達式適用，而楊使用太陽光，因此正在觀察他上面描述的白光條紋。白光條紋圖案可以被認為是由一組不同顏色的單獨條紋圖案組成的。這些都在中心有一個最大值，但它們的間距隨波長而變化，疊加的圖案顏色也會不同，因為它們的最大值會出現在不同的地方。通常只能觀察到兩個或三個條紋。楊格使用這個公式估計紫光的波長為 400 nm，而紅光的波長大約是它的兩倍——我們今天同意的結果。

1803 年至 1804 年間，《愛丁堡評論》刊登了一系列對楊氏理論的無名攻擊。這位匿名作者（後來透露是《愛丁堡評論》的創始人Henry Brougham）成功地削弱了楊格在讀者中的信譽，以至於一家承諾出版楊的皇家學院講座的出版商退出了這筆交易。這一事件促使楊更多地關注他的醫療實踐，而不是物理學。[10]

接受光的波動理論

1817 年，包括Siméon Denis Poisson在內的法國科學院的微粒理論家非常有信心，他們將明年的獎項主題定為衍射，並確信粒子理論家會贏得它。[4] 奧古斯丁·菲涅耳提交了一篇基於波動理論的論文，其內容包括惠更斯原理和楊格的干涉原理的綜合。[2]

泊松詳細研究了菲涅耳的理論，當然也在尋找一種方法來證明他是光粒子論的支持者是錯誤的。泊松認為他發現了一個缺陷，他認為菲涅耳理論的一個結果是在一個圓形障礙物的陰影中存在一個軸上的亮點來阻擋點光源，根據光的粒子論。菲涅耳的理論不可能是真的，泊松宣稱：這個結果肯定是荒謬的。（帕松光斑在日常情況下不容易觀察到，因為大多數日常光源都不是好的點光源。事實上，它在一顆中等亮度恆星的散焦望遠鏡圖像中很容易看到，它表現為同心衍射環陣列中的一個明亮中心點。）

然而，委員會主席弗朗索瓦·阿拉戈認為有必要更詳細地進行實驗。他用蠟將一個 2 毫米的金屬圓盤模塑到一塊玻璃板上。[11]出乎所有人的意料，他成功地觀察到了預測點，這讓大多數科學家相信了光的波動性。最終，菲涅耳贏得了比賽。

之後，光的微粒學說就被打敗了，直到20世紀才再次傳聞。阿拉戈後來指出，約瑟夫-尼古拉·德利爾[1][11] and Giacomo F. Maraldi[12]在一個世紀前 就已經觀察到這種現象（有時稱為阿拉戈光斑）

參閱

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Heavens, O. S.; Ditchburn, R. W. Insight into Optics. John Wiley & Sons. 1991. ISBN 978-0-471-92769-3. 
  2. ^ 2.0 2.1 Born, M.; Wolf, E. Principles of Optics. Cambridge University Press. 1999. ISBN 978-0-521-64222-4. 
  3. ^ Magic Without Lies. Cosmos: Possible Worlds. 第9集. 6 April 2020. National Geographic. 
  4. ^ 4.0 4.1 Mason, P. The Light Fantastic. Penguin Books. 1981. ISBN 978-0-14-006129-1. 
  5. ^ 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. ^ 6.0 6.1 Rothman, T. Everything's Relative and Other Fables in Science and Technology需要免费注册. John Wiley & Sons. 2003. ISBN 978-0-471-20257-8. 
  7. ^ 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 可免费查阅. 
  8. ^ 8.0 8.1 Thomas Young's experiment. www.cavendishscience.org. [2017-07-23]. 
  9. ^ Veritasium, The Original Double Slit Experiment, 2013-02-19 [2017-07-23] 
  10. ^ Robinson, Andrew. The Last Man Who Knew Everything需要免费注册. New York, NY: Pi Press. 2006: 115–120. ISBN 0-13-134304-1. 
  11. ^ 11.0 11.1 Fresnel, A. J. Oeuvres Completes d'Augustin Fresnel: Théorie de la Lumière. Imprimerie impériale. 1868: 369. 
  12. ^ Maraldi, G. F. Diverses expériences d'optique. Mémoires de l'Académie Royale des Sciences (Imprimerie impériale). 1723: 111. 

外部連結

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