图:Henry Perronet Briggs 画,1822(公有领域)
托马斯·杨
Thomas Young1773–1829 · 生于英格兰萨默塞特米尔弗顿 · 英国
用一束阳光和一张卡片推翻牛顿,业余还破译了古埃及文字
「当同一光线的两部分从不同路径抵达眼睛,且方向精确相同或近乎相同时,光的强度在两条路径长度相差某个整数倍时最大,在处于中间状态时最小。」
—— 《贝克讲演·论光与颜色的理论》,《皇家学会哲学汇刊》第 92 卷(1802),据英文原文意译
牛顿说光是粒子。牛顿说了一百年,没人敢反驳。
1801 年,一个二十八岁的伦敦医生反驳了,而且用的是一张卡片和一束从窗板小孔里透进来的阳光。
两岁读书的贵格会长子
托马斯·杨生于萨默塞特一个贵格会家庭,是十个孩子里的老大。家人的回忆说他两岁就能流利阅读;到十四岁,他已经能读拉丁文、希腊文、法文、意大利文、希伯来文、阿拉伯文和波斯文。
他学的是医学,1796 年在哥廷根拿到医学博士学位,此后一辈子的正式身份都是医生。他对光的兴趣起初也来自医学——他研究眼睛怎么聚焦、为什么会散光,进而想弄清光本身是什么。
一张卡片
1803 年他做了那个实验,做法比后来教科书上的「双缝」更朴素。
他在窗板上开一个小孔,让一束阳光射进暗室,然后拿一张约三十分之一英寸宽的卡片竖着插进光束中间,把它劈成两半。墙上出现的不是两条亮带,而是一组明暗相间的条纹。
如果光是粒子,两束粒子叠在一起只会更亮,不可能出现「亮 + 亮 = 暗」。可如果光是波,两列波的波峰对波谷时正好抵消——暗纹就是抵消的地方。
他还从条纹间距反推出了光的波长:约五十万分之一米。这是人类第一次量出光的尺寸。
(今天挂在他名下的「双缝实验」是后人整理出的理想化版本。杨本人用的是卡片,两侧的光绕过卡片边缘再相遇。原理一样,但值得说清楚——那张卡片比两条缝更能说明他当时手头有多简陋。)
被一篇书评压了十年
结果不是胜利。1803 年,布鲁厄姆在《爱丁堡评论》上匿名发表书评,把杨的工作说成「毫无价值」「一堆废话」,语气刻薄到今天读来仍觉难堪。在牛顿的祖国质疑牛顿,代价就是这个。
杨的论文销量惨淡,他一度退回医学界。波动说在英国被压制了十余年,直到 1815 年之后菲涅耳在法国用更完整的数学重新建立起衍射理论,局面才扭转。
顺手破译古埃及文字
杨的精力多到荒唐。他提出了三原色视觉理论——视网膜上有三种感受器,分别对红绿蓝敏感——这是今天所有彩色屏幕的生理学基础;他给出了材料弹性的定量描述,即杨氏模量;他研究毛细现象,留下了杨-拉普拉斯方程。
1814 年起他开始研究罗塞塔石碑,破译了其中世俗体文字的大部分,并正确判断出椭圆框里是国王的名字。商博良随后完成了圣书体的破译,两人为优先权争执不下——但杨的贡献如今被公认是决定性的一步。
有人为他写下这样的墓志铭式评价:他在几乎每一个门类里都留下了别人一辈子的成果,却不曾在任何一个门类里停留够久。
一张卡片的回声
那组条纹后来变成了物理学最深的一口井。
1927 年戴维孙与革末把电子束打上镍晶体,屏上浮出的是同一种条纹——电子也是波。后来中子、原子、乃至六十个碳原子拼成的富勒烯,都照样给出条纹。1960 年代以后,实验做到了每次只发射一个电子:一个一个地打,屏上先是随机的点,攒够了之后,条纹还是浮现出来。
费曼说,双缝实验里「包含了量子力学的唯一秘密」。而这个秘密最初露头,是在 1803 年一间暗室的墙上。
代表方程
干涉极大条件
两条路径的长度差恰好是波长的整数倍时,波峰对波峰,亮纹出现。杨用这条关系第一次测出了光的波长——约五十万分之一米。
杨氏模量
材料被拉伸时,应力与应变之比。它衡量一种材料「有多难被拉长」,是今天所有结构工程计算的起点之一。
伟大发现
出处
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