托马斯·杨和光的本质

■萧如珀、杨信男/译

■译自 APS News，2008 年5 月

■原标题：《1801 年5 月：托马斯·杨和光的本质》

光到底是波还是粒子的争辩要回溯到好几个世纪前。17 世纪时，牛顿相信光是由一束粒子所组成。而在那个年代，有少数的科学家则认为光是在某种以太中振动的波，持此论调者其中最有名的是荷兰物理学家和天文学家惠更斯（Christiaan Huygens）。

两种说法都有根据，例如那时已知声音是一种波，能通过弯曲的水管和转角处，但光不能，这可用以证明光的粒子理论。然而像折射的现象却又很难以粒子理论来说明，牛顿只好说有一种无法解释的力量，可以改变光在水中的速度。牛顿也对肥皂泡膜上的彩色条纹深感着迷，却又困惑，虽然粒子理论有解释上的困难，但他还是坚持自己的看法。

牛顿是极受尊敬的科学家，因此当时几乎不可能有人会质疑他的理论。然而托马斯·杨（Thomas Young）却于1801 年对牛顿所持光本质的看法提出了严正的挑战。

托马斯·杨

杨是一个非常博学多闻的人，自物理学至埃及古物学都有兴趣。他于1773 年诞生在英格兰西南Milverton 城一个贵格会教派的大家庭，自幼即是一位天才，两岁学习阅读，六岁即自学拉丁文。

1792 年，杨开始研读医学，1794 年被选入皇家学会。他对纯科学也很感兴趣，1801 年被任命为伦敦刚成立的皇家学院的讲师，讲课的题材极为广泛。

杨的医学研究中有一部分是藉由解剖牛的眼睛，以了解眼睛如何对不同距离的物体聚焦；他也提出彩色视觉的理论。此外，他对语言深感兴趣，完成了一篇人类声音的论文，说明全人类的声音可以用47 个音声字母来表示。他对眼睛和耳朵的研究自然导致了他对声和光研究的兴趣。

1790 年，杨17 岁时第一次阅读了牛顿的《光学》（Opticks），非常敬佩牛顿的研究。但于1800 年时，杨看到了牛顿粒子理论中的一些问题，例如他注意到像空气和水的交界处，有些光会反射，有些会折射， 但粒子理论不容易说明其原因；他还注意到粒子理论也很难解释为什么不同颜色光线的折射角度会有不同。

声音已知是空气中的压缩波，杨认为光也可能相似。他注意到当两道声波相遇，彼此会干涉而产生“拍”。虽然他并没有立即去找寻光学上对应的“拍”，不过他开始意会到光也可能产生干涉的现象。

1801 年5 月，正当杨仔细思索着一些牛顿的实验时，他想出了现在著名的双狭缝干涉实验的基本概念，以证明光波的干涉。此示范可作为光是一种波，不是粒子的确切证明。

在杨最初的实验中，他实际上并未使用双狭缝，而是使用一张薄卡片。他将窗子用一张上面有一极小洞的纸遮盖住，然后让一道细光线穿过小洞。之后，他拿着薄卡片挡住光线，将光线一分为二。杨在对面的墙壁上观察到了经过薄卡片一边的光线和来自薄卡片另一边的光线彼此干涉，形成了干涉条纹。

杨还用他的数据来计算不同颜色光线的波长，结果和现在所测定的波长值非常接近。

1801 年11 月，杨在皇家学会发表了他的论文，标题为《光和颜色的理论》。在演讲中，杨说明了光波的干涉和狭缝实验，还拿来和声波、水波相比较，更发展出示范性的波库，以展示在水中的干涉图案。

虽然杨的实验很具说服力，可是大家都不愿相信牛顿是错的。杨回信给一位批评者说：“虽然我很景仰牛顿的大名，但也不能因此强迫自己相信他是绝对不会犯错的。”由于杨对于他所做的光研究所得到的回响很失望，因此虽然他当医生未曾很成功，他还是决定专注于医学上。不过他还是做了进一步的物理研究，并于1807 年将他一部分的讲稿，包括双狭缝干涉实验发表出来。

杨于 1829 年5 月过世，他生前还对罗塞塔石碑①（Rosetta stone）的解读做了贡献，并为《大英百科全书》（Encyclopedia Britannica）写了许多文章，题材广泛，难以置信，包括桥梁、木工、颜色、埃及、语言、潮汐和度量衡。

杨所提出双狭缝的基本装置不仅一直被用来说明光的行为像波，还可用以说明电子也会像波一样，产生干涉图案。随着量子力学的发展，现在物理学家知道光既是粒子，也是波，并不仅是其中一种而已。

（本文转载自2009 年6 月《物理双月刊》，网址： http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php; 萧如珀， 自由业； 杨信男， 台湾大学物理系，Email:[e-mail]）

① 罗塞塔石碑，1799 年7 月15 日由当时随着拿破仑占领埃及的法军上尉皮耶-佛罕索瓦·札维耶·布夏贺（Pierre-Fran?ois Xavier Bouchard）所发现，由于石碑出土地在Rosetta 近郊，因而命名。石碑是由一群西元前埃及托勒密王朝的祭司所制作，以作为年仅13岁的托勒密五世加冕一周年纪念。碑文以埃及象形文、埃及草书和古希腊文对照书写。

来源：《现代物理知识》第21卷第3期