托馬斯·楊對物理學(xué)的貢獻(xiàn)

于曉東

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

托馬斯·楊（Thomas Young，1773～1829），英國物理學(xué)家、醫(yī)生、波動(dòng)光學(xué)的奠基人.1773年6月13日生于英國薩默塞特郡的米爾弗頓.他出身于商人和教友會(huì)會(huì)員的家庭，自幼智力過人，有神童之稱，2歲會(huì)閱讀，4歲能背誦英國詩人的佳作和拉丁文詩，9歲掌握車工工藝，能自制一些物理儀器，9～14歲自學(xué)并掌握了牛頓的微分法，學(xué)會(huì)多種語言（法、意、波斯、阿拉伯等）.盡管父母送他進(jìn)過不少學(xué)校，但他主要把自學(xué)作為獲得科學(xué)知識的主要手段，曾先后在倫敦大學(xué)、愛丁堡大學(xué)和格丁根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué).由于他對生理光學(xué)和聲學(xué)的強(qiáng)烈興趣（對聲學(xué)的愛好與他的音樂和樂器演奏才能密切有關(guān)，他能彈奏當(dāng)時(shí)的各種樂器），后來轉(zhuǎn)而研究物理學(xué).1801～1803年任皇家研究院教授.1811年起在倫敦行醫(yī).1818年起兼任經(jīng)度局秘書，領(lǐng)導(dǎo)《海事歷書》的出版工作，同時(shí)他還擔(dān)任英國皇家學(xué)會(huì)國際聯(lián)絡(luò)秘書，為大英百科全書撰寫過四十多種科學(xué)家傳記.他的一生曾研究過多種學(xué)科（物理、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)、天文、地球物理、語言學(xué)、動(dòng)物學(xué)、考古學(xué)、科學(xué)史等），并精通繪畫和音樂；在科學(xué)史上堪稱百科全書式的學(xué)者，但更以物理學(xué)家著稱于世.1829年5月10日在英國倫敦逝世，終年56歲.

托馬斯·楊是波動(dòng)光學(xué)的奠基人之一.他對光、聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，使他確信二者的相似性和波動(dòng)說的正確性.在關(guān)于光的本性的爭論中，1800年正是微粒說占上風(fēng)的時(shí)期，他公開向牛頓提出挑戰(zhàn)：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的.我遺憾地看到，他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威有時(shí)甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步”.他從觀察水波中的干涉現(xiàn)象受到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象,大膽提出：在一定條件下，重疊的波可以互相減弱，甚至抵消.這一年他發(fā)表了《關(guān)于聲學(xué)和光學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)和問題》的著名論文.在這篇文章中，他首先提出了“干涉”這一術(shù)語.

從1801年起，他擔(dān)任皇家學(xué)院的教授期間，完成了干涉現(xiàn)象的一系列杰出的研究工作.他做了著名的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)，先用雙孔后來又用雙縫獲得兩束相干光，在屏上得到干涉花樣.這一實(shí)驗(yàn)為波動(dòng)光學(xué)的復(fù)興作出了開創(chuàng)性的工作，由于它的重大意義，已作為物理學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一流傳于世.二十世紀(jì)初物理學(xué)家將楊的雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果和愛因斯坦的光量子假說結(jié)合起來，提出了光的波粒二象性，后來又被德布羅意利用量子力學(xué)引申到所有粒子上.在1801年發(fā)表的一篇報(bào)告中，他提出了光波的頻率和波長的概念，他用自己創(chuàng)建的干涉原理解釋牛頓環(huán)的成因和薄膜的彩色，并第一個(gè)近似地測定了七種顏色的光的波長，從而為光的波動(dòng)理論找到了又一個(gè)強(qiáng)有力的證據(jù).

托馬斯·楊對波動(dòng)光學(xué)的貢獻(xiàn)是多方面的,他不僅第一個(gè)從實(shí)驗(yàn)上成功地演示了光的干涉現(xiàn)象,并提出了干涉理論,而且還運(yùn)用干涉的概念解釋了光的衍射現(xiàn)象.1803年，托馬斯·楊發(fā)表了《物理光學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算》一文，他把衍射看成是直接通過狹縫的光和經(jīng)過狹縫邊緣的光之間干涉的結(jié)果.文中還提出當(dāng)光由光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)反射時(shí)，光的相位將改變半個(gè)波長即所謂半波損失.他還根據(jù)他的干涉實(shí)驗(yàn)估算出了光波的波長，認(rèn)識到光波的波長是極短的.這一點(diǎn)意義重大，因?yàn)榛莞乖淼囊粋€(gè)致命傷就是不能有力地說明光的直線傳播，而通過他的工作知道：光所以會(huì)按直線傳播并投下清晰的影子，就是因?yàn)樗牟ㄩL比起普通物體的尺度，小得無可比擬.1817年，他在得知阿拉果和菲涅耳共同進(jìn)行偏振光干涉實(shí)驗(yàn)后，曾于同年1月12日給阿拉果的信上提出了光是橫波的假設(shè)，這一設(shè)想為菲涅耳所接受并加以發(fā)展.光是橫波這一點(diǎn)不僅對偏振光理論的發(fā)展起了決定性的作用，而且催生了邁克斯韋關(guān)于光就是電磁波的觀點(diǎn).

在生理光學(xué)方面，他做出了一系列的貢獻(xiàn).早在1793年（20歲時(shí)），他向皇家學(xué)會(huì)提交第一篇論文，題為《視力的觀察》，第一次發(fā)現(xiàn)人的眼睛晶狀體的聚光作用，提出人眼是靠調(diào)節(jié)眼球的晶狀體的曲率，達(dá)到觀察不同距離的物體的觀點(diǎn).這一觀點(diǎn)是他經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)分析得出的.它結(jié)束了長期來對人眼為什么能看到物體的原因的爭論，并因此于1794年被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員.他提出顏色的理論，即三原色原理，他認(rèn)為一切色彩都可以從紅、綠、藍(lán)三種原色的不同比例混合而成，這一原理，已成為現(xiàn)代顏色理論（包括彩色照相和彩色電視）的基礎(chǔ).

1807年，托馬斯·楊出版了《自然哲學(xué)和機(jī)械技術(shù)講義》2卷，在這本內(nèi)容豐富的教材中，除了敘述他的雙縫干涉實(shí)驗(yàn).他還首先使用“能量”的概念代替“活力”，并第一個(gè)提出材料彈性模量的定義，引入一個(gè)表征彈性的量即后人所稱的楊氏摸量.

我們今天之所以重提這位偉大的科學(xué)家，是因?yàn)樗麨槲锢韺W(xué)的發(fā)展作出的重大貢獻(xiàn)在物理學(xué)史上沒有引起足夠的重視，也是為了讓我們重溫一下他的一生的光輝成就.

托馬斯·楊物理學(xué)方面著作

1、《對視覺過程的觀察》（1973年）

2、《聲和光的實(shí)驗(yàn)和探索綱要》（1801年）

3、《自然哲學(xué)與機(jī)械工藝課程》（1807年）

4、《自然哲學(xué)講義》（1807年）

5、《拉普拉斯天體力學(xué)原理闡明》（1821年）

〔1〕譚樹杰，王華.物理學(xué)上的重大實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1987.