托马斯·杨对物理学的贡献

于晓东

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

托马斯·杨（Thomas Young，1773～1829），英国物理学家、医生、波动光学的奠基人.1773年6月13日生于英国萨默塞特郡的米尔弗顿.他出身于商人和教友会会员的家庭，自幼智力过人，有神童之称，2岁会阅读，4岁能背诵英国诗人的佳作和拉丁文诗，9岁掌握车工工艺，能自制一些物理仪器，9～14岁自学并掌握了牛顿的微分法，学会多种语言（法、意、波斯、阿拉伯等）.尽管父母送他进过不少学校，但他主要把自学作为获得科学知识的主要手段，曾先后在伦敦大学、爱丁堡大学和格丁根大学学习医学.由于他对生理光学和声学的强烈兴趣（对声学的爱好与他的音乐和乐器演奏才能密切有关，他能弹奏当时的各种乐器），后来转而研究物理学.1801～1803年任皇家研究院教授.1811年起在伦敦行医.1818年起兼任经度局秘书，领导《海事历书》的出版工作，同时他还担任英国皇家学会国际联络秘书，为大英百科全书撰写过四十多种科学家传记.他的一生曾研究过多种学科（物理、数学、医学、天文、地球物理、语言学、动物学、考古学、科学史等），并精通绘画和音乐；在科学史上堪称百科全书式的学者，但更以物理学家著称于世.1829年5月10日在英国伦敦逝世，终年56岁.

托马斯·杨是波动光学的奠基人之一.他对光、声振动的实验研究，使他确信二者的相似性和波动说的正确性.在关于光的本性的争论中，1800年正是微粒说占上风的时期，他公开向牛顿提出挑战：“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的.我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步”.他从观察水波中的干涉现象受到启发，发现了光的干涉现象,大胆提出：在一定条件下，重叠的波可以互相减弱，甚至抵消.这一年他发表了《关于声学和光学方面的实验和问题》的著名论文.在这篇文章中，他首先提出了“干涉”这一术语.

从1801年起，他担任皇家学院的教授期间，完成了干涉现象的一系列杰出的研究工作.他做了著名的杨氏干涉实验，先用双孔后来又用双缝获得两束相干光，在屏上得到干涉花样.这一实验为波动光学的复兴作出了开创性的工作，由于它的重大意义，已作为物理学的经典实验之一流传于世.二十世纪初物理学家将杨的双缝实验结果和爱因斯坦的光量子假说结合起来，提出了光的波粒二象性，后来又被德布罗意利用量子力学引申到所有粒子上.在1801年发表的一篇报告中，他提出了光波的频率和波长的概念，他用自己创建的干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色的光的波长，从而为光的波动理论找到了又一个强有力的证据.

托马斯·杨对波动光学的贡献是多方面的,他不仅第一个从实验上成功地演示了光的干涉现象,并提出了干涉理论,而且还运用干涉的概念解释了光的衍射现象.1803年，托马斯·杨发表了《物理光学的实验和计算》一文，他把衍射看成是直接通过狭缝的光和经过狭缝边缘的光之间干涉的结果.文中还提出当光由光密媒质向光疏媒质反射时，光的相位将改变半个波长即所谓半波损失.他还根据他的干涉实验估算出了光波的波长，认识到光波的波长是极短的.这一点意义重大，因为惠更斯原理的一个致命伤就是不能有力地说明光的直线传播，而通过他的工作知道：光所以会按直线传播并投下清晰的影子，就是因为它的波长比起普通物体的尺度，小得无可比拟.1817年，他在得知阿拉果和菲涅耳共同进行偏振光干涉实验后，曾于同年1月12日给阿拉果的信上提出了光是横波的假设，这一设想为菲涅耳所接受并加以发展.光是横波这一点不仅对偏振光理论的发展起了决定性的作用，而且催生了迈克斯韦关于光就是电磁波的观点.

在生理光学方面，他做出了一系列的贡献.早在1793年（20岁时），他向皇家学会提交第一篇论文，题为《视力的观察》，第一次发现人的眼睛晶状体的聚光作用，提出人眼是靠调节眼球的晶状体的曲率，达到观察不同距离的物体的观点.这一观点是他经过了大量的实验分析得出的.它结束了长期来对人眼为什么能看到物体的原因的争论，并因此于1794年被选为皇家学会会员.他提出颜色的理论，即三原色原理，他认为一切色彩都可以从红、绿、蓝三种原色的不同比例混合而成，这一原理，已成为现代颜色理论（包括彩色照相和彩色电视）的基础.

1807年，托马斯·杨出版了《自然哲学和机械技术讲义》2卷，在这本内容丰富的教材中，除了叙述他的双缝干涉实验.他还首先使用“能量”的概念代替“活力”，并第一个提出材料弹性模量的定义，引入一个表征弹性的量即后人所称的杨氏摸量.

我们今天之所以重提这位伟大的科学家，是因为他为物理学的发展作出的重大贡献在物理学史上没有引起足够的重视，也是为了让我们重温一下他的一生的光辉成就.

托马斯·杨物理学方面著作

1、《对视觉过程的观察》（1973年）

2、《声和光的实验和探索纲要》（1801年）

3、《自然哲学与机械工艺课程》（1807年）

4、《自然哲学讲义》（1807年）

5、《拉普拉斯天体力学原理阐明》（1821年）

〔1〕谭树杰，王华.物理学上的重大实验[M].北京:科学技术文献出版社,1987.