托馬斯·楊對物理學的貢獻

于曉東

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

托馬斯·楊（Thomas Young，1773～1829），英國物理學家、醫生、波動光學的奠基人.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會員的家庭，自幼智力過人，有神童之稱，2歲會閱讀，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歲自學并掌握了牛頓的微分法，學會多種語言（法、意、波斯、阿拉伯等）.盡管父母送他進過不少學校，但他主要把自學作為獲得科學知識的主要手段，曾先后在倫敦大學、愛丁堡大學和格丁根大學學習醫學.由于他對生理光學和聲學的強烈興趣（對聲學的愛好與他的音樂和樂器演奏才能密切有關，他能彈奏當時的各種樂器），后來轉而研究物理學.1801～1803年任皇家研究院教授.1811年起在倫敦行醫.1818年起兼任經度局秘書，領導《海事歷書》的出版工作，同時他還擔任英國皇家學會國際聯絡秘書，為大英百科全書撰寫過四十多種科學家傳記.他的一生曾研究過多種學科（物理、數學、醫學、天文、地球物理、語言學、動物學、考古學、科學史等），并精通繪畫和音樂；在科學史上堪稱百科全書式的學者，但更以物理學家著稱于世.1829年5月10日在英國倫敦逝世，終年56歲.

托馬斯·楊是波動光學的奠基人之一.他對光、聲振動的實驗研究，使他確信二者的相似性和波動說的正確性.在關于光的本性的爭論中，1800年正是微粒說占上風的時期，他公開向牛頓提出挑戰：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認為他是萬無一失的.我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步”.他從觀察水波中的干涉現象受到啟發，發現了光的干涉現象,大膽提出：在一定條件下，重疊的波可以互相減弱，甚至抵消.這一年他發表了《關于聲學和光學方面的實驗和問題》的著名論文.在這篇文章中，他首先提出了“干涉”這一術語.

從1801年起，他擔任皇家學院的教授期間，完成了干涉現象的一系列杰出的研究工作.他做了著名的楊氏干涉實驗，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.這一實驗為波動光學的復興作出了開創性的工作，由于它的重大意義，已作為物理學的經典實驗之一流傳于世.二十世紀初物理學家將楊的雙縫實驗結果和愛因斯坦的光量子假說結合起來，提出了光的波粒二象性，后來又被德布羅意利用量子力學引申到所有粒子上.在1801年發表的一篇報告中，他提出了光波的頻率和波長的概念，他用自己創建的干涉原理解釋牛頓環的成因和薄膜的彩色，并第一個近似地測定了七種顏色的光的波長，從而為光的波動理論找到了又一個強有力的證據.

托馬斯·楊對波動光學的貢獻是多方面的,他不僅第一個從實驗上成功地演示了光的干涉現象,并提出了干涉理論,而且還運用干涉的概念解釋了光的衍射現象.1803年，托馬斯·楊發表了《物理光學的實驗和計算》一文，他把衍射看成是直接通過狹縫的光和經過狹縫邊緣的光之間干涉的結果.文中還提出當光由光密媒質向光疏媒質反射時，光的相位將改變半個波長即所謂半波損失.他還根據他的干涉實驗估算出了光波的波長，認識到光波的波長是極短的.這一點意義重大，因為惠更斯原理的一個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：光所以會按直線傳播并投下清晰的影子，就是因為它的波長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行偏振光干涉實驗后，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，這一設想為菲涅耳所接受并加以發展.光是橫波這一點不僅對偏振光理論的發展起了決定性的作用，而且催生了邁克斯韋關于光就是電磁波的觀點.

在生理光學方面，他做出了一系列的貢獻.早在1793年（20歲時），他向皇家學會提交第一篇論文，題為《視力的觀察》，第一次發現人的眼睛晶狀體的聚光作用，提出人眼是靠調節眼球的晶狀體的曲率，達到觀察不同距離的物體的觀點.這一觀點是他經過了大量的實驗分析得出的.它結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年被選為皇家學會會員.他提出顏色的理論，即三原色原理，他認為一切色彩都可以從紅、綠、藍三種原色的不同比例混合而成，這一原理，已成為現代顏色理論（包括彩色照相和彩色電視）的基礎.

1807年，托馬斯·楊出版了《自然哲學和機械技術講義》2卷，在這本內容豐富的教材中，除了敘述他的雙縫干涉實驗.他還首先使用“能量”的概念代替“活力”，并第一個提出材料彈性模量的定義，引入一個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家，是因為他為物理學的發展作出的重大貢獻在物理學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·楊物理學方面著作

1、《對視覺過程的觀察》（1973年）

2、《聲和光的實驗和探索綱要》（1801年）

3、《自然哲學與機械工藝課程》（1807年）

4、《自然哲學講義》（1807年）

5、《拉普拉斯天體力學原理闡明》（1821年）

〔1〕譚樹杰，王華.物理學上的重大實驗[M].北京:科學技術文獻出版社,1987.