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托马斯．杨在物理学上最杰出的贡献是在光学和声学领域。在1973年发表的关于生理光学的论文《对视觉过程的观察》中，他研究了眼睛对距离的调节问题，并证明眼睛适应不同距离，是靠改变眼球水晶体的曲度来进行的。1800年，在继续进行这方面的实验中，形成了他对光的本质的看法，这一年他向皇家学会提出了《在声和光方面的实验和问题》的报告。他认为，声和光都是波的传播，光是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动，由于以太极稀薄，所以光是以纵波形式传播的，光的颜色和不同频率的声音是类似的。他指了，在解释强光源和弱光源发出的光以同样的速度传播的问题上，用波动说比粒子说更容易，因为，光粒子为什么只以一个不变的速度运动，这是很难理解的。
论文中关于声学的一部分特别重要。托马斯．杨在这部分分析了水波的干涉现象后指出，在声波迭加的情况下，会产生声音的加强和减弱、复合的声调和拍频。“干涉”这个术语，就是他最先提出的。
在1801年发表的一篇报告中，托马斯．杨发展了惠更斯的光学理论，形成了波动光学的基本原理。他提出了光波的频率和波长的概念，并解释了牛顿环现象。在这篇论文中，他叙述了他所发现的“简单而普遍的规律”：“同一束光的两个不同部分，以不同的路径要末完全一样地，要末在方向上十分接近地进入眼睛，在光线的路程差是某个长度的整数倍的地方，光就增强，而在干涉区域的中间部分，光将最强。对于不同颜色的光束来说，这个长度是不同的。”
他指出，牛顿环的明暗条纹，就是由不同界面反射出的光互相重合产生“干涉”的结果。位相相反的振动迭加起来就互相抵消，位相相同的则互相加强。他用实验的办法确证了他所提出的这一假设。他用紫外光投射到薄层上，使紫外光从上下两个界面反射产生干涉。由于紫外光是人眼所看不见的，他就让反射光落在涂有氯化银溶液的纸上，结果出现了黑环，从而证明了他的干涉原理。他精确地确定了各种色光的波长值。他指出：“根据各种实验的比较，组成极端红光的波的宽度，在空气中，似应假定约为三万六千分之一英寸，极端紫光的约为六万分之一英寸。”
在1803年11月24日的报告中，托马斯．杨把干涉原理应用于解释衍射现象。他知道，光能绕过不透明物体的边缘产生有色的影子，并认为这种衍射条纹是直接通过衍射缝的光和边界波的干涉产生的。在这篇论文中，他用光从较密介质反射时的半波损失，补充了他关于薄板颜色的理论。
上述这些实验和理论的研究，被托马斯．杨综合入1807年出版的《自然哲学讲义》中。在这本书中，他描述了现在众所周知的双缝干涉的基本实验：点光源的光通过两个相邻的平行狭缝，当这两速光相遇时，就在屏幕上形成一系列明暗干涉条纹。但是，他的理论却没有立即得到重视，而且由于认为光是纵波，这给他的理论带来了很大的弱点。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆（LordBrougham）的尖刻攻击，被说成是“没有任何价值”的、“荒唐”和“不合逻辑”的。托马斯．杨虽然进行了回击，但仍未获得科学界的理解和承认。这个自牛顿以来在物理光学上最重要的成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制埋没了将近二十年。直到菲涅耳提出他的波动理论后，托马斯．杨才获得了应有的荣誉。
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