波粒二象性

發(fā)展里程碑

　　惠更斯、牛頓

　　按照惠更斯原理，波的直線傳播與球面?zhèn)鞑ァ?/p>

　　較為完全的光理論最早是由克里斯蒂安·惠更斯發(fā)展成型，他提出了一種光波動(dòng)說。使用這理論，他能夠解釋光波如何因相互干涉而形成波前，在波前的每一點(diǎn)可以認(rèn)為是產(chǎn)生球面次波的點(diǎn)波源，而以后任何時(shí)刻的波前則可看作是這些次波的包絡(luò)。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面?zhèn)鞑サ亩ㄐ越忉專⑶彝茖?dǎo)出反射定律與折射定律，但是他并不能解釋，為什么當(dāng)光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時(shí)，會(huì)偏離直線傳播，即衍射效應(yīng)。惠更斯假定次波只會(huì)朝前方傳播，而不會(huì)朝后方傳播。他并沒有解釋為什么會(huì)發(fā)生這種物理行為。稍后，艾薩克·牛頓提出了光微粒說。他認(rèn)為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運(yùn)動(dòng)定律。這可以合理解釋光的直線傳播和反射性質(zhì)。但是，對(duì)于光的折射與衍射性質(zhì)，牛頓的解釋并不很令人滿意，他遭遇到了較大的困難。

　　由于牛頓無與倫比的學(xué)術(shù)地位，他的粒子理論在一個(gè)多世紀(jì)內(nèi)無人敢于挑戰(zhàn)，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀(jì)初衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，光的波動(dòng)理論才重新得到承認(rèn)。而光的波動(dòng)性與粒子性的爭(zhēng)論從未平息。

　　楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲

　　在雙縫實(shí)驗(yàn)里，從光源傳播出來的相干光束，照射在一塊刻有兩條狹縫 和 的不透明擋板 。在擋板的后面，擺設(shè)了攝影膠卷或某種偵測(cè)屏 ，用來紀(jì)錄到達(dá) 的任何位置 的光束。最右邊黑白相間的條紋，顯示出光束在偵測(cè)屏 的干涉圖樣。

　　十九世紀(jì)早期，托馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳分別做出重大貢獻(xiàn)。托馬斯·楊完成的雙縫實(shí)驗(yàn)顯示出，衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說無法預(yù)測(cè)的一種波動(dòng)行為。這實(shí)驗(yàn)確切地證實(shí)了光的波動(dòng)性質(zhì)。奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎(chǔ)上假定次波與次波之間會(huì)彼此發(fā)生干涉，又假定次波的波幅與方向有關(guān)?；莞梗颇砟軌蚪忉尮獠ǖ某胺絺鞑ヅc衍射現(xiàn)象。光波動(dòng)說并沒有立刻取代光微粒說。但是，到了十九世紀(jì)中期，光波動(dòng)說開始主導(dǎo)科學(xué)思潮，因?yàn)樗軌蛘f明偏振現(xiàn)象的機(jī)制，這是光微粒說所不能夠的。

　　同世紀(jì)后期，詹姆斯·麥克斯韋將電磁學(xué)的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。這方程組能夠分析電磁學(xué)的種種現(xiàn)象。從這方程組，他推導(dǎo)出電磁波方程。應(yīng)用電磁波方程計(jì)算獲得的電磁波波速等于做實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的光波速度。麥克斯韋于是猜測(cè)光波就是電磁波。電磁學(xué)和光學(xué)因此聯(lián)結(jié)成統(tǒng)一理論。1888年，海因里希·赫茲做實(shí)驗(yàn)發(fā)射并接收到麥克斯韋預(yù)言的電磁波，證實(shí)麥克斯韋的猜測(cè)正確無誤。從這時(shí)，光波動(dòng)說開始被廣泛認(rèn)可。

　　普朗克黑體輻射定律

　　主條目：普朗克黑體輻射定律

　　1901年，馬克斯·普朗克發(fā)表了一份研究報(bào)告，他對(duì)于黑體在平衡狀況的發(fā)射光波頻譜的預(yù)測(cè)，完全符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這份報(bào)告里，他做出特別數(shù)學(xué)假說，將諧振子（組成黑體墻壁表面的原子）所發(fā)射或吸收的電磁輻射能量加以量子化，他稱呼這種離散能量為量子。

　　其中，h是離散能量， 是普朗克常數(shù)。

　　這就是著名的普朗克關(guān)系式。從普朗克的假說，普朗克推導(dǎo)出一條黑體能量分布定律，稱為普朗克黑體輻射定律。

　　愛因斯坦與光子

　　主條目：光電效應(yīng)

　　光電效應(yīng)示意圖：來自左上方的光子沖撞到金屬表面，將電子逐出金屬表面，并且向右上方移去。

　　光電效應(yīng)指的是，照射光束于金屬表面會(huì)使其發(fā)射出電子的效應(yīng)，發(fā)射出的電子稱為光電子。為了產(chǎn)生光電效應(yīng)，光頻率必須超過金屬物質(zhì)的特征頻率，稱為其“極限頻率”。舉例而言，照射輻照度很微弱的藍(lán)光束于鉀金屬表面，只要頻率大于其極限頻率，就能使其發(fā)射出光電子，但是無論輻照度多么強(qiáng)烈的紅光束，一旦頻率小于鉀金屬的極限頻率，就無法促使發(fā)射出光電子。根據(jù)光波動(dòng)說，光波的輻照度或波幅對(duì)應(yīng)于所攜帶的能量，因而輻照度很強(qiáng)烈的光束一定能提供更多能量將電子逐出。然而事實(shí)與經(jīng)典理論預(yù)期恰巧相反。

　　1905年，愛因斯坦對(duì)于光電效應(yīng)給出解釋。他將光束描述為一群離散的量子，現(xiàn)稱為光子，而不是連續(xù)性波動(dòng)。從普朗克黑體輻射定律，愛因斯坦推論，組成光束的每一個(gè)光子所擁有的能量 等于頻率 乘以一個(gè)常數(shù)，即普朗克常數(shù)，他提出了“愛因斯坦光電效應(yīng)方程”，其中， Wo是逃逸電子的最大動(dòng)能， 是逸出功。

　　假若光子的頻率大于物質(zhì)的極限頻率，則這光子擁有足夠能量來克服逸出功，使得一個(gè)電子逃逸，造成光電效應(yīng)。愛因斯坦的論述解釋了為什么光電子的能量只與頻率有關(guān)，而與輻照度無關(guān)。雖然藍(lán)光的輻照度很微弱，只要頻率足夠高，則會(huì)產(chǎn)生一些高能量光子來促使束縛電子逃逸。盡管紅光的輻照度很強(qiáng)烈，由于頻率太低，無法給出任何高能量光子來促使束縛電子逃逸。

　　1916年，美國(guó)物理學(xué)者羅伯特·密立根做實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于光電效應(yīng)的理論。從麥克斯韋方程組，無法推導(dǎo)出普朗克與愛因斯坦分別提出的這兩個(gè)非經(jīng)典論述。物理學(xué)者被迫承認(rèn)，除了波動(dòng)性質(zhì)以外，光也具有粒子性質(zhì)。

　　既然光具有波粒二象性，應(yīng)該也可以用波動(dòng)概念來分析光電效應(yīng)，完全不需用到光子的概念。1969年，威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立（Marlan Scully）應(yīng)用在原子內(nèi)部束縛電子的能級(jí)躍遷機(jī)制證明了這論述。

　　德布羅意與物質(zhì)波

　　在光具有波粒二象性的啟發(fā)下，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意（1892～1987）在1924年提出一個(gè)假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都有波粒二象性。他把光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長(zhǎng)等于普朗克恒量h 跟粒子動(dòng)量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個(gè)關(guān)系式后來就叫做德布羅意公式[4] 。

　　三年后，通過兩個(gè)獨(dú)立的電子衍射實(shí)驗(yàn)，德布羅意的方程被證實(shí)可以用來描述電子的量子行為。在阿伯丁大學(xué)，喬治·湯姆孫將電子束照射穿過薄金屬片，并且觀察到預(yù)測(cè)的干涉樣式。在貝爾實(shí)驗(yàn)室，克林頓·戴維森和雷斯特·革末做實(shí)驗(yàn)將低速電子入射于鎳晶體，取得電子的衍射圖樣，這結(jié)果符合理論預(yù)測(cè)。

　　海森堡不確定性原理

　　1927年，維爾納·海森堡提出海森堡不確定性原理。

　　海森堡原本解釋他的不確定性原理為測(cè)量動(dòng)作的后果：準(zhǔn)確地測(cè)量粒子的位置會(huì)攪擾其動(dòng)量，反之亦然。他并且給出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)為范例，即著名的海森堡顯微鏡實(shí)驗(yàn)，來說明電子位置和動(dòng)量的不確定性。這思想實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵地倚靠德布羅意假說為其論述。但是現(xiàn)今，物理學(xué)者認(rèn)為，測(cè)量造成的攪擾只是其中一部分解釋，不確定性存在于粒子本身，是粒子內(nèi)秉的性質(zhì)，在測(cè)量動(dòng)作之前就已存在。

　　實(shí)際而言，對(duì)于不確定原理的現(xiàn)代解釋，將尼爾斯·玻爾與海森堡主導(dǎo)提出的哥本哈根詮釋加以延伸，更甚倚賴于粒子的波動(dòng)說：就如同研討傳播于細(xì)繩的波動(dòng)在某時(shí)刻所處的準(zhǔn)確位置是毫無意義的，粒子沒有完美準(zhǔn)確的位置；同樣地，就如同研討傳播于細(xì)繩地脈波的波長(zhǎng)是毫無意義地，粒子沒有完美準(zhǔn)確的動(dòng)量。此外，假設(shè)粒子的位置不確定性越小，則動(dòng)量不確定性越大，反之亦然。

　　大尺寸物體的波動(dòng)行為

　　自從物理學(xué)者演示出光子與電子具有波動(dòng)性質(zhì)之后，對(duì)于中子、質(zhì)子也完成了很多類似實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)里，比較著名的是于1929年奧托·施特恩團(tuán)隊(duì)完成的氫、氦粒子束衍射實(shí)驗(yàn)，這實(shí)驗(yàn)精彩地演示出原子和分子的波動(dòng)性質(zhì)。近期，關(guān)于原子、分子的類似實(shí)驗(yàn)顯示出，更大尺寸、更復(fù)雜的粒子也具有波動(dòng)性質(zhì)，這在本段落會(huì)有詳細(xì)說明。

　　1970年代，物理學(xué)者使用中子干涉儀（neutron interferometer）完成了一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)引力與波粒二象性彼此之間的關(guān)系。中子是組成原子核的粒子之一，它貢獻(xiàn)出原子核的部分質(zhì)量，由此，也貢獻(xiàn)出普通物質(zhì)的部分質(zhì)量。在中子干涉儀里，中子就好似量子波一樣，直接感受到引力的作用。因?yàn)槿f物都會(huì)感受到引力的作用，包括光子在內(nèi)（請(qǐng)參閱條目廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證），這是已知的事實(shí)，這實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果并不令人驚訝。但是，帶質(zhì)量費(fèi)米子的量子波，處于引力場(chǎng)內(nèi)，自我干涉的現(xiàn)象，尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　1999年，維也納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)觀察到C60 富勒烯的衍射富勒烯是相當(dāng)大型與沉重的物體，原子量為720 u，德布羅意波長(zhǎng)為2.5 pm，而分子的直徑為1 nm，大約400倍大。2012年，這遠(yuǎn)場(chǎng)衍射實(shí)驗(yàn)被延伸實(shí)現(xiàn)于酞菁分子和比它更重的衍生物，這兩種分子分別是由58和114個(gè)原子組成。在這些實(shí)驗(yàn)里，干涉圖樣的形成被實(shí)時(shí)計(jì)錄，敏感度達(dá)到單獨(dú)分子程度。

　　2003年，同樣維也納研究團(tuán)隊(duì)演示出四苯基卟啉（tetraphenylporphyrin）的波動(dòng)性。這是一種延伸達(dá)2 nm、質(zhì)量為614 u的生物染料。在這實(shí)驗(yàn)里，他們使用的是一種近場(chǎng)塔爾博特-勞厄干涉儀（Talbot Lau interferometer）。使用這種干涉儀，他們又觀察到C60F48.的干涉條紋，C60F48.是一種氟化巴基球，質(zhì)量為1600 u，是由108 個(gè)原子組成。像C70富勒烯一類的大型分子具有恰當(dāng)?shù)膹?fù)雜性來顯示量子干涉與量子退相干，因此，物理學(xué)者能夠做實(shí)驗(yàn)檢試物體在量子-經(jīng)典界限附近的物理行為。2011年，對(duì)于質(zhì)量為6910 u的分子做實(shí)驗(yàn)成功展示出干涉現(xiàn)象。2013年，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，質(zhì)量超過10,000 u的分子也能發(fā)生干涉現(xiàn)象。

　　在物理學(xué)里，長(zhǎng)度與質(zhì)量之間存在有兩種基本關(guān)系。一種是廣義相對(duì)論關(guān)系，粒子的史瓦西半徑與質(zhì)量成正比；另一種是量子力學(xué)關(guān)系，粒子的康普頓波長(zhǎng)與質(zhì)量成反比。

　　大致而言，康普頓波長(zhǎng)是量子效應(yīng)開始變得重要時(shí)的系統(tǒng)長(zhǎng)度尺寸，粒子質(zhì)量越大，則康普頓波長(zhǎng)越短。史瓦西半徑是粒子變?yōu)楹诙磿r(shí)的其所有質(zhì)量被拘束在內(nèi)的圓球半徑，粒子越重，史瓦西半徑越大。當(dāng)粒子的康普頓波長(zhǎng)大約等于史瓦西半徑時(shí)，粒子的質(zhì)量大約為普朗克質(zhì)量，粒子的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)強(qiáng)烈地受到量子引力影響。

　　普朗克質(zhì)量為 kg，超大于所有已知基本粒子的質(zhì)量；普朗克長(zhǎng)度為 m，超小于核子尺寸。從理論而言，質(zhì)量大于普朗克質(zhì)量的物體是否擁有德布羅意波長(zhǎng)這個(gè)問題不很清楚；從實(shí)驗(yàn)而言，是無法達(dá)到的。這物體的康普頓波長(zhǎng)會(huì)小于普朗克長(zhǎng)度和史瓦茲半徑，在這尺寸，當(dāng)今物理理論可能會(huì)失效，可能需要更廣義理論替代。

　　2009年，伊夫·庫德（Yves Couder）發(fā)布論文表示，宏觀油滴彈跳于振動(dòng)表面可以用來模擬波粒二象性，毫米尺寸的油滴會(huì)生成周期性波動(dòng)，對(duì)于這些油滴的相互作用會(huì)引起類量子現(xiàn)象，例如，雙縫干涉、,不可預(yù)料的隧穿、軌道量子化、塞曼效應(yīng)等等。

　　理論概述

　　在經(jīng)典力學(xué)里，研究對(duì)象總是被明確區(qū)分為“純”粒子和“純”波動(dòng)。前者組成了我們常說的“物質(zhì)”，后者的典型例子則是光波。波粒二象性解決了這個(gè)“純”粒子和“純”波動(dòng)的困擾。它提供了一個(gè)理論框架，使得任何物質(zhì)有時(shí)能夠表現(xiàn)出粒子性質(zhì)，有時(shí)又能夠表現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)。量子力學(xué)認(rèn)為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個(gè)微分方程，如薛定諤方程來描述。這個(gè)方程的解即為波函數(shù)，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)具有疊加性，它們能夠像波一樣互相干涉。同時(shí)，波函數(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的機(jī)率幅。這樣，粒子性和波動(dòng)性就統(tǒng)一在同一個(gè)解釋中。

　　之所以在日常生活中觀察不到物體的波動(dòng)性，是因?yàn)樗麄兘再|(zhì)量太大，導(dǎo)致德布羅意波長(zhǎng)比可觀察的極限尺寸要小很多，因此可能發(fā)生波動(dòng)性質(zhì)的尺寸在日常生活經(jīng)驗(yàn)范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿意地解釋“自然現(xiàn)象”。反之，對(duì)于基本粒子來說，它們的質(zhì)量和尺寸局限于量子力學(xué)所描述的范圍之內(nèi)，因而與我們所習(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。

　　發(fā)展簡(jiǎn)史

　　在十九世紀(jì)末，原子理論逐漸盛行，根據(jù)原子理論的看法，物質(zhì)都是由微小的粒子——原子構(gòu)成。比如原本被認(rèn)為是一種流體的電，由湯普森的陰極射線實(shí)驗(yàn)證明是由被稱為電子的粒子所組成。因此，人們認(rèn)為大多數(shù)的物質(zhì)是由粒子所組成。而與此同時(shí)，波被認(rèn)為是物質(zhì)的另一種存在方式。波動(dòng)理論已經(jīng)被相當(dāng)深入地研究，包括干涉和衍射等現(xiàn)象。由于光在托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以及夫瑯和費(fèi)衍射中所展現(xiàn)的特性，明顯地說明它是一種波動(dòng)。

　　不過在二十世紀(jì)來臨之時(shí)，這個(gè)觀點(diǎn)面臨了一些挑戰(zhàn)。1905年由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應(yīng)展示了光粒子性的一面。隨后，電子衍射被預(yù)言和證實(shí)了。這又展現(xiàn)了原來被認(rèn)為是粒子的電子波動(dòng)性的一面。

　　這個(gè)波與粒子的困擾終于在二十世紀(jì)初由量子力學(xué)的建立所解決，即所謂波粒二象性。它提供了一個(gè)理論框架，使得任何物質(zhì)在一定的環(huán)境下都能夠表現(xiàn)出這兩種性質(zhì)。量子力學(xué)認(rèn)為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個(gè)微分方程，如薛定諤方程來描述。這個(gè)方程的解即為波函數(shù)，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)具有疊加性，即，它們能夠像波一樣互相干涉和衍射。同時(shí)，波函數(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的幾率幅。這樣，粒子性和波動(dòng)性就統(tǒng)一在同一個(gè)解釋中。

　　之所以在日常生活中觀察不到物體的波動(dòng)性，是因?yàn)樗麄兊馁|(zhì)量太大，導(dǎo)致特征波長(zhǎng)比可觀察的限度要小很多，因此可能發(fā)生波動(dòng)性質(zhì)的尺度在日常生活經(jīng)驗(yàn)范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿意地解釋“自然現(xiàn)象”。反之，對(duì)于基本粒子來說，它們的質(zhì)量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學(xué)所描述的，因而與我們所習(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。

　　1800年，托馬斯·楊發(fā)表了《在聲和光方面的實(shí)驗(yàn)與問題》的論文，認(rèn)為光與聲都是波，光是以太介質(zhì)中傳播的縱振動(dòng)，不同顏色的光與不同頻率的聲音是相類似的。他在分析了水波的疊加現(xiàn)象之后說，在聲波疊加的情況下，可以產(chǎn)生的加強(qiáng)和減弱，出現(xiàn)復(fù)合聲調(diào)和拍頻。尤其重要的是，他提出了“干涉”的概念。

　　1801年，他在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上宣讀了關(guān)于薄膜色的論文。論文進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展了惠更斯的波動(dòng)說，明確地提出了光具有頻率和波長(zhǎng)，完善了光波的概念。他比較圓滿地解釋了牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象，認(rèn)為“當(dāng)有不同起源的兩個(gè)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)或者完全相同，或者在方向很接近時(shí)，那么它們的共同作用等于它們每一個(gè)振動(dòng)單獨(dú)所發(fā)生的作用之和。”這在實(shí)際上已經(jīng)提出了光的相干條件及干涉原理。

　　這一年，他在發(fā)表于《哲學(xué)會(huì)報(bào)》上的論文中，全面地闡述了干涉原理：“同一束光的兩不同部分以不同的路徑，要么完全一樣地、要么在方向上十分接近地進(jìn)入眼睛，在光線的路程差是某個(gè)長(zhǎng)度的整數(shù)倍的地方，光就被加強(qiáng)，而在干涉區(qū)域中間狀態(tài)，光將最強(qiáng)；對(duì)于不同顏色的光束來說，這個(gè)長(zhǎng)度是不同的。”

　　1802年，托馬斯·楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)講演時(shí)，引用自己所做的雙孔（雙縫）干涉實(shí)驗(yàn)。他說：“為使這兩部分

　　雙縫實(shí)驗(yàn)

　　雙縫實(shí)驗(yàn)

　　光在屏幕上引起的效果疊加起來，需要使來自同一光源、經(jīng)過不同路徑的光到達(dá)同一區(qū)域，而不使其相離散，如有離散，也能根據(jù)回折、反射或折射把光從一方或從兩方重合起來，將它們的效果疊加。但是，最簡(jiǎn)單的辦法是將平行光通過兩個(gè)相距很近的針孔。針孔作為新的光源，從那里發(fā)出了球面光波，照射到屏幕上，光的暗影對(duì)稱地向兩側(cè)散開。然而，屏幕與小孔的距離越遠(yuǎn)，從小孔射來的光就越按相同的角度延伸與擴(kuò)張。同時(shí)，小孔間的距離越近，從它們射出的光就越按比例擴(kuò)張，這兩部分光疊合后，在屏幕上正對(duì)兩小孔連線的中心處最明亮。兩側(cè)部分，光從兩個(gè)小孔到達(dá)各點(diǎn)有一定的路程差，若路程差是光波波長(zhǎng)的1倍、2倍、3倍……，路程差是光波波長(zhǎng)1/2，3/2，5/2倍則屏幕上的這些地方為亮區(qū)，并且相鄰的亮區(qū)間的距離相等。另一方 的地方。”這就是著名的楊氏雙孔雙縫實(shí)驗(yàn)。

　　托馬斯·楊用紅光照射雙孔，觀察通過雙孔后的光在屏幕上形成的光帶。他遮住一個(gè)針孔時(shí)，屏上只有一個(gè)紅的光強(qiáng)均勻的光點(diǎn)；當(dāng)兩個(gè)孔均不遮掩時(shí)，屏上兩個(gè)光點(diǎn)重合區(qū)出現(xiàn)了紅黑交替的光帶，紅帶相當(dāng)明亮，其寬度相等，同時(shí)，各黑帶的寬度也相等，并且等于紅帶的寬度。

　　根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)比較，組成極端紅光的波長(zhǎng)，在空氣中應(yīng)為1/36000英寸，極端紫光應(yīng)為1/60000英寸，準(zhǔn)確測(cè)得的可見光的波長(zhǎng)。在光學(xué)發(fā)展史中是具有劃時(shí)代意義的。

　　托馬斯·楊還將干涉原理應(yīng)用于解釋衍射現(xiàn)象。1803年11月24日，他在講演中提到了光的干涉的一般法則的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)隨著影子出現(xiàn)的有色邊緣進(jìn)行若干次實(shí)驗(yàn)，便發(fā)現(xiàn)關(guān)于光的兩部分的一般法則，有色邊緣是根據(jù)兩部分光的干涉形成的。

　　第一個(gè)實(shí)驗(yàn)將木板套窗打開一個(gè)孔，在上面糊上一張厚紙，在厚紙上用針尖鉆個(gè)孔，為了觀察方便起見，在木板套窗外的一個(gè)適當(dāng)位置放一個(gè)小鏡子，從那里反射的太陽光按水平方向射到對(duì)面的墻壁上，并且將1/30英寸細(xì)長(zhǎng)紙片插入太陽光中觀察。映在墻壁上或放在各種不同距離上的其它厚紙的影子，除了陰影的兩側(cè)邊緣之外，那一影子的自身也同樣被平行的邊緣所分割，其邊緣非常細(xì)，它的數(shù)值隨觀察影子的距離而異，影子的中心部分總是呈白色。這些邊緣是通過細(xì)紙片的每個(gè)側(cè)面的光的兩部分合成的結(jié)果，并且與其說是折射不如說是衍射。

　　第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是有直角的交接處的物體形成影子的時(shí)候，在通常的外部邊緣上，可以看到增加兩三種顏色的變化。這些，從角的平分線開始向兩側(cè)排列，向著角平分線以凸?fàn)顝澢?。并且離角平分線越遠(yuǎn)越細(xì)。這些邊緣也是在物體兩側(cè)對(duì)影子方向直接彎曲的光疊加的結(jié)果。

　　托馬斯·楊的實(shí)驗(yàn)一是細(xì)竿衍射，實(shí)驗(yàn)二是角衍射。1883年當(dāng)古伊與1885年維恩在光以大角度斜射時(shí)，直接觀察到了邊界波；托馬斯·楊關(guān)于衍射中邊界波的觀念得到了證實(shí)。

　　托馬斯·楊對(duì)光的本性又作了進(jìn)一步的爭(zhēng)辯，他說：“固執(zhí)于牛頓的光的理論或現(xiàn)代光學(xué)專家的不太普遍的假說的人們，最好是對(duì)任何事物都要從他的自身的原理出發(fā)，提出實(shí)驗(yàn)的說明。并且，如果他的這種努力失敗的話，他應(yīng)該承認(rèn)這些事實(shí)，至少應(yīng)該停止目的在于反對(duì)這些事實(shí)及其所遵循的理論體系而發(fā)表的演講。”

　　從上述實(shí)驗(yàn)或計(jì)算可以推論，平行光在傳播方向上的一定距離處，具有相反的性質(zhì)，在疊加時(shí)，互相中和或互相抵消，光也就消失了。而且，還可以推論，這些性質(zhì)對(duì)通過同一介質(zhì)的相干光來說，在離相干光源為某距離的連續(xù)的同心面上交替變化。由測(cè)定的一致性與同類現(xiàn)象的相似性，可以下結(jié)論說，這些間隔同薄膜彩色條紋的排列形式有關(guān)系。當(dāng)然，光在密的介質(zhì)中比在疏的介質(zhì)中進(jìn)行得更緩慢。而它同時(shí)也說明，這不是折射朝向密的介質(zhì)的引力的結(jié)果。支持光的粒子說的人們，必須判斷這一理由的關(guān)鍵，即哪一方面最弱這一點(diǎn)。但我們知道，聲音在同心的球面上擴(kuò)大，樂音互相中和，根據(jù)音的不同，由在不同的某一等間隔中，相繼而起的相反性質(zhì)所形成。所以得出聲音同光的性質(zhì)之間有非常相似的結(jié)論，也是完全可以的。

　　托馬斯·楊還用光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)界面時(shí)，反射光產(chǎn)生半波損失的觀點(diǎn)，補(bǔ)充了他對(duì)薄膜的彩色條紋的解釋。

　　他在解釋光的偏振時(shí)，遇到了特殊的困難。這是由于馬呂斯和布儒斯特在光的偏振方面取得重大研究成果后，頑固堅(jiān)持牛頓的微粒說造成的。本來，偏振現(xiàn)象是橫波的特性，對(duì)偏振現(xiàn)象研究越深入就越有利于光的波動(dòng)理論。這時(shí)，只要將惠更斯與托馬斯·楊的“縱波”改成“橫波”，那么其它問題就迎刃而解了。但是，馬呂斯和布儒斯特在波動(dòng)理論尚未做出這一改變之前，強(qiáng)烈的反對(duì)波動(dòng)理論。托馬斯·楊沒有隱匿困難，更沒有被困難所嚇倒，1811年，他在給馬呂斯的信中說：“你的實(shí)驗(yàn)證明了我所采用的理論不足，但是這些實(shí)驗(yàn)并沒有證明它是錯(cuò)的”，六年后，他覺察到，若將聲波看成與水波類似的橫波，那么這個(gè)困難就可以得到較好的解決。1817年1月12日，他在寫給阿拉果的信中說：“根據(jù)這個(gè)學(xué)說的原理，所有波都象聲波一樣是通過均勻介質(zhì)以同心球面單獨(dú)傳播，在徑向方向上只有粒子的前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)，以及伴隨它們的凝聚與稀疏。顯然波動(dòng)說可以解釋橫向振動(dòng)也在徑向方向上以相等速度傳播，但粒子的運(yùn)動(dòng)是在相對(duì)于徑向的某個(gè)恒定方向上，而這就是偏振。”這樣，托馬斯·楊根據(jù)波動(dòng)理論對(duì)偏振現(xiàn)象作了最初的解釋。其后，菲涅耳與阿拉果更充分地驗(yàn)證并解釋了它。

　　不過在二十世紀(jì)來臨之時(shí)，這些觀點(diǎn)面臨了一些挑戰(zhàn)。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦對(duì)于光電效應(yīng)用光子的概念來解釋，物理學(xué)者開始意識(shí)到光波具有波動(dòng)和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，路易·德布羅意提出“物質(zhì)波”假說，他主張，“一切物質(zhì)”都具有波粒二象性，即具有波動(dòng)和粒子的雙重性質(zhì)。根據(jù)德布羅意假說，電子是應(yīng)該會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象。1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末設(shè)計(jì)與完成的戴維森-革末實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了德布羅意假說。