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杨氏双缝干涉实验是物理学中最著名的实验之一,由英国物理学家托马斯·杨在1801年首次进行。这个实验巧妙地证明了光具有波动性质。实验装置很简单:一个单色光源,比如激光,照射到一个带有两个非常窄的平行狭缝的屏幕上,然后在后面放置一个观察屏幕来记录光的行为。
当光通过双缝时,会发生两个重要的物理现象。首先是衍射:光波在通过狭缝时不再沿直线传播,而是向各个方向扩散。然后是干涉:从两个狭缝出来的光波相遇时会发生叠加。当两束光波的波峰相遇时,发生相长干涉,形成明亮的条纹;当波峰与波谷相遇时,发生相消干涉,形成暗条纹。
在观察屏上,我们看到的不是简单的两条亮线,而是一系列明暗相间的条纹。中央是最亮的明条纹,称为零级条纹,两侧对称分布着其他明暗条纹。这些条纹的形成是因为从两个狭缝到屏上各点的光程不同,产生了路径差。条纹间距由公式Δy等于λD除以d决定,其中λ是光的波长,D是双缝到屏的距离,d是两缝间的距离。
杨氏双缝实验具有划时代的意义。它有力地证明了光的波动性,推翻了牛顿提出的光的粒子理论,为波动光学奠定了基础。更令人惊奇的是,现代量子力学实验发现,即使是单个光子通过双缝,也会产生干涉条纹,这揭示了光的波粒二象性。这个实验不仅改变了我们对光本质的认识,也为量子力学的发展铺平了道路。