第六期：光子（2）

在最近配眼鏡的過程中，驗光師發(fā)現(xiàn)我有50度的散光。在此之前，我并未意識到散光的存在。而當(dāng)我加上散光矯正后，視力瞬間變得清晰。這讓我產(chǎn)生了一個疑問：是誰最先發(fā)現(xiàn)了散光呢？答案可能令人驚訝——是英國博學(xué)家托馬斯·楊。

托馬斯·楊被譽(yù)為一位通才。他的學(xué)識淵博，涉獵廣泛，包括物理學(xué)、生理學(xué)、數(shù)學(xué)、考古學(xué)和語言學(xué)等多個領(lǐng)域。除此之外，他還擅長騎馬和走鋼絲等技藝。有人甚至稱他為“世界上最后一個什么都知道的人”。托馬斯·楊的本職工作是一名醫(yī)生，他在生理光學(xué)領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。1793年，他最早提出人眼的晶狀體能夠自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同距離的物體，也是第一個研究散光現(xiàn)象的科學(xué)家。

在物理學(xué)領(lǐng)域，托馬斯·楊同樣有著深刻的見解。例如，學(xué)過材料力學(xué)的人可能知道楊氏模量，這是他定義的一個概念。然而，在物理學(xué)中，他最為著名的成就是楊氏雙縫干涉實驗。

盡管水波的干涉現(xiàn)象早已被觀察到，但光的干涉現(xiàn)象卻遲遲未能被發(fā)現(xiàn)。這是因為要產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，必須有兩束波長相同的光波。托馬斯·楊巧妙地利用一束光通過一個夾縫，實現(xiàn)衍射，再用這束分散的單色光通過兩個對稱的夾縫，形成兩個波長相同的扇形光波分布，從而產(chǎn)生干涉。他在光屏上觀察到了明暗相間的干涉圖樣，這些圖樣反映了光的強(qiáng)度分布。

托馬斯·楊將上述解釋用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行了總結(jié)，并估算了光的波長，其結(jié)果與實際值非常接近。他的發(fā)現(xiàn)支持了光的波動說，挑戰(zhàn)了當(dāng)時的權(quán)威觀點。盡管他的論文難以發(fā)表，但他堅持自己的觀點，并認(rèn)為權(quán)威有時甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步。

1818年，法國科學(xué)院懸賞征集關(guān)于衍射效應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和實驗驗證。評委會原本希望通過這次懸賞鼓勵人們用微粒說來解釋衍射現(xiàn)象。然而，一位名叫菲涅耳的不知名學(xué)者，將光視為橫波，并通過數(shù)學(xué)公式成功推導(dǎo)出衍射花紋，與實驗結(jié)果高度吻合。盡管評委會成員泊松最初對菲涅耳的理論表示懷疑，但實驗結(jié)果最終證實了菲涅耳的理論是正確的。這一發(fā)現(xiàn)使菲涅耳聲名鵲起，他因此獲得了當(dāng)年的科學(xué)獎。有趣的是，實驗中發(fā)現(xiàn)的影子中間的亮點，現(xiàn)在被稱為泊松亮點或泊松亮斑，盡管這一現(xiàn)象實際上支持了菲涅耳的理論。

從那時起，菲涅耳在惠更斯、托馬斯·楊的基礎(chǔ)上，開創(chuàng)了光學(xué)研究的新階段。他的理論被證實是正確的，光確實是橫波。菲涅耳因此被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者”，人們逐漸接受了光的波動說，拋棄了牛頓的微粒說。

這段歷史展示了科學(xué)進(jìn)步的戲劇性和復(fù)雜性，也證明了科學(xué)理論的正確與否需要通過實驗來驗證，而非僅僅依賴權(quán)威的觀點。

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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