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双缝干涉实验是物理学史上最重要的实验之一。这个实验由英国物理学家托马斯·杨在1801年首次进行,它有力地证明了光具有波动性。实验装置包括一个光源、一个有两条平行狭缝的屏障,以及一个用于观察结果的接收屏。
实验的核心原理是波的叠加。当光通过两条狭缝时,每条缝都成为新的波源,向各个方向发出圆形波。这些波在空间中传播并相遇。当两个波的波峰同时到达某点时,发生相长干涉,该点变亮;当一个波的波峰与另一个波的波谷相遇时,发生相消干涉,该点变暗。
在接收屏上,我们观察到明暗相间的条纹图案。中央是最亮的亮条纹,两侧对称分布着强度逐渐减弱的亮条纹和暗条纹。这种规律的条纹图案是光波干涉的直接证据。如果光仅仅是粒子,我们应该只看到对应两条狭缝的两条亮线,而不是这种复杂的干涉图案。
双缝干涉的数学描述非常精确。当两束光的路径差等于波长的整数倍时,发生相长干涉,形成亮条纹。当路径差等于波长的半整数倍时,发生相消干涉,形成暗条纹。这个路径差可以表示为d乘以正弦θ,其中d是双缝间距,θ是衍射角。通过这些公式,我们可以精确预测干涉条纹的位置。
双缝干涉实验不仅在历史上具有重要意义,在现代科学技术中也有广泛应用。它首次证明了光的波动性,为后来的波粒二象性理论和量子力学奠定了基础。从1801年杨氏的原始实验,到现代的激光技术、全息摄影和量子计算研究,这个简单而深刻的实验继续启发着科学家们探索光和物质的本质。