托马斯·杨的双缝实验

1801年，英国物理学家托马斯·杨进行了一项实验，有力推定了光的波属性。由于相信光是由波构成的，托马斯·杨继续推测说，两束光波相遇时会产生某种相互作用。本交互式辅导课程探讨了相干光波通过两个紧密间隔的狭缝时如何产生相互作用。

本辅导课程开始时，太阳光线通过屏幕上的一个狭缝，产生相干光。然后，这些光被投射到另一个具有双缝的屏幕上，当入射光穿过时，狭缝再次衍射入射光。衍射光束之间的干涉结果可以可视化为暗膜上的光强分布。标有狭缝间距离的滑块可以用来改变狭缝间的距离，并在干涉强度分布模式中产生相应的变化。

杨的实验基于这样一个假设：如果光本质上是波浪状的，那么它的行为方式应该类似于水池中的涟漪或波浪。当两个相反的水波相遇时，它们应该以特定的方式做出反应，以相互加强或摧毁对方。如果两个波浪同步（波峰相遇），那么它们应该合并形成一个更大的波浪。相比之下，当两个不同步的波浪相遇（一个波峰与另一个波谷相遇）时，波应该抵消并在该区域产生一个平坦的表面。

为了验证他的假设，杨设计了一个巧妙的实验。使用通过小狭缝衍射的阳光作为相干照明源，他将从狭缝发出的光线投射到另一个屏幕上，该屏幕包含两个并排放置的狭缝。然后让穿过狭缝的光落到屏幕上。杨观察到，当狭缝很大、间隔很远且靠近屏幕时，屏幕上会形成两个重叠的光斑。然而，当他减小狭缝的尺寸并将它们靠得更近时，穿过狭缝进入屏幕的光线会产生不同的色带，这些色带由暗区按顺序分隔开。杨创造了术语干涉条纹来描述这些带并意识到只有当光像波一样起作用时才能产生这些有色带。

双缝实验的基本设置如图1所示。来自太阳光的红色过滤光首先通过狭缝以达到相干状态。然后使离开第一狭缝的光波入射到位于第二屏障上并靠在一起的一对狭缝上。屏幕放置在狭缝后面的区域，以捕获穿过双狭缝的重叠光线，屏幕上可以看到亮红色和暗色干涉带的图案。这类实验的关键是从屏障处的两个狭缝衍射的光的相互相干性。尽管杨通过来自第一个狭缝的太阳光的衍射实现了这种相干性，但任何相干光源（例如激光）都可以替代穿过单个狭缝的光。

撞击双缝的光的相干波前被分成两个完全同步的新波前。来自每个狭缝的光波必须行进相等的距离才能到达图1所示屏幕上的A点，并且应该仍以步进方式或以相同的相位位移到达该点。因为到达A点的两波波具有相长干涉的必要条件，所以它们相加在屏幕上会产生鲜红色的干涉条纹。

相比之下，屏幕上的B点与两条狭缝的距离都不是等距的，因此光从一个狭缝到达B点的距离必须比从另一个狭缝传播的距离大。从靠近B点的狭缝发出的波（以图1左侧的狭缝和B点为例）不需要像从另一个狭缝传播的波那样远到达目的地。因此，来自最近狭缝的波应该比来自最远狭缝的波稍微提前到达点B。因为这些波不会到达B点同相（或彼此同步），它们会发生抵消性干涉，在屏幕上产生暗区（干涉条纹）。干涉条纹图案不限于具有双缝结构的实验，而是可以由任何导致光分裂成可以抵消或加在一起的波的事件产生。

杨的实验的成功有力地证明了波动理论的支持，但并没有立即被同行接受。诸如在肥皂泡中观察到的彩虹色和牛顿环（将在下面讨论）等现象背后的事件，虽然通过这项工作进行了解释，但对于那些坚信光以粒子流形式传播的科学家来说并不是很明显。后来设计并进行了其他类型的实验来证明光和干涉效应的波状性质。著名的是汉弗莱·劳埃德的单镜实验，以及奥古斯丁·菲涅尔为单轴双折射晶体中的偏振光设计的双镜和双棱镜实验。菲涅耳得出结论，偏振光束之间的干涉只能通过具有相同偏振方向的光束来获得。实际上，振动方向彼此平行的偏振光波可以结合产生干涉，而垂直的偏振光波不会干涉。