在這里遇見新物理，在這里洞見新未來(lái)。我是中科院物理所副研究員王霆，在這一課給大家講解自然界中非常有意思的一個(gè)元素——光。

第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)

–波動(dòng)學(xué)的大獲全勝 

第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)以牛頓學(xué)說(shuō)勝出告終，隨著牛頓學(xué)說(shuō)盛行之后過(guò)了幾十年，在1801年，這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了另外一個(gè)紛爭(zhēng)者——托馬斯?楊。他做出了光的干涉現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，并成為第一個(gè)提出了干涉理論的人。

托馬斯?楊

光的干涉實(shí)驗(yàn)

如圖所示，一個(gè)點(diǎn)光源形成擴(kuò)散波，當(dāng)這個(gè)波進(jìn)入兩個(gè)分開的狹縫，狹縫距離很近時(shí)會(huì)發(fā)生干涉。干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，基本認(rèn)為托馬斯?楊驗(yàn)證了光一定是一種波動(dòng)的形態(tài)。為什么會(huì)產(chǎn)生干涉？任何的波像水波都是一種波的形式，像一個(gè)正弦函數(shù)的波形，當(dāng)正弦波發(fā)生一個(gè)相位的偏移時(shí)，比如半周期的相位偏移，會(huì)發(fā)現(xiàn)波的峰值和下一束波的谷底重疊。那么這個(gè)重疊導(dǎo)致兩個(gè)波相互抵消，當(dāng)兩個(gè)波是同相位的，那么它的波峰和波峰、谷底和谷底會(huì)重疊，分別產(chǎn)生光的增強(qiáng)和光的衰減。這是為什么兩束相干光發(fā)生干涉后會(huì)在遠(yuǎn)處的成像板呈現(xiàn)出明暗明暗的周期性的圖樣。 

托馬斯?楊開始逐漸推翻牛頓關(guān)于光的粒子性理論。在1818年的時(shí)候，出現(xiàn)了一個(gè)非常著名的科學(xué)家，他對(duì)光學(xué)的貢獻(xiàn)也是非常大的，他就是菲涅爾。牛頓當(dāng)時(shí)提出一個(gè)現(xiàn)象——牛頓環(huán)，它發(fā)現(xiàn)光透過(guò)一個(gè)透鏡或者不均勻的介質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生彩色的環(huán)狀光斑，這個(gè)現(xiàn)象在生活中也很常見，當(dāng)你按壓手機(jī)膜這種透明的薄膜的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)彩色的光斑，然而牛頓環(huán)沒有辦法通過(guò)光的粒子性來(lái)解釋。菲涅爾在研究光的時(shí)候，進(jìn)行了單孔衍射實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就徹底解釋了牛頓環(huán)現(xiàn)象。

牛頓環(huán)

如圖所示，牛頓環(huán)是不同的波相互之間產(chǎn)生了自干涉或者自相干的作用，當(dāng)你看一個(gè)遠(yuǎn)景的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的光斑，這些環(huán)狀的光斑基本上為波動(dòng)學(xué)的支持者打了一針強(qiáng)心劑。菲涅爾提出單孔衍射后，泊松本來(lái)是一個(gè)粒子學(xué)派的支持者，泊松認(rèn)為如果光具有波動(dòng)性，那么在一個(gè)點(diǎn)光源前面放一個(gè)圓盤狀的遮擋物，如果光是粒子，圓盤的后方一定是不會(huì)有光的，而如果光是波，它既然自相干，那么這束光過(guò)去之后一定會(huì)在圓盤后面的正中央產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)，由于光多重相互干涉的作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光斑，所以他認(rèn)為菲涅爾必須證明這一點(diǎn)，才能證明光的波動(dòng)性成立。

惠更斯-菲涅爾原理

泊松提出這個(gè)實(shí)驗(yàn)是因?yàn)樗X得菲涅爾根本不可能做出這個(gè)實(shí)驗(yàn)，菲涅爾一開始其實(shí)并沒有想過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但既然泊松提出了猜想，他就必須要佐證這件觀點(diǎn)。因此他做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)光暈當(dāng)中確實(shí)有一個(gè)亮點(diǎn)，這恰巧完全地支持了波動(dòng)說(shuō)。而且菲涅耳因?yàn)椴此商岢龅倪@個(gè)概念，他佐證了之后為了氣一氣泊松還給它起了個(gè)名字叫泊松光斑。這個(gè)差點(diǎn)沒把泊松給氣死，這也是歷史上非常有意思的一個(gè)小故事。

泊松光斑

第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)中，波動(dòng)學(xué)漸漸占了上風(fēng)，這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了一個(gè)非常非常偉大的物理學(xué)家——麥克斯韋。1873年麥克斯韋就提出了算是近代對(duì)光理解最深刻的一個(gè)公式——麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組在物理學(xué)界被公認(rèn)是一個(gè)美得令人窒息的方程組，因?yàn)樗鼜氐捉忉屃穗姶挪ǖ漠a(chǎn)生和傳播機(jī)理，而且也為波粒二象性的研究做出了非常大的貢獻(xiàn)。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋方程組它具體講了些什么呢？這四個(gè)公式里第一個(gè)部分是對(duì)電場(chǎng)的定義，一個(gè)閉合平面內(nèi)電場(chǎng)積分的總量等于面內(nèi)電荷的總量，這是根據(jù)高斯定律所推導(dǎo)出來(lái)的。

第二個(gè)部分是對(duì)面內(nèi)磁場(chǎng)的定義，閉合面內(nèi)磁場(chǎng)的積分永遠(yuǎn)是0，因?yàn)橛^察發(fā)現(xiàn)任何磁場(chǎng)的北極永遠(yuǎn)離不開南極，南北極是共同存在的，因此任何一個(gè)閉合區(qū)間內(nèi)通過(guò)的磁通量和返回的磁通量是等同的，它們相互抵消，最終導(dǎo)致任何閉合面內(nèi)的磁場(chǎng)的積分都為零。

第三個(gè)部分是麥克斯韋對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行了一個(gè)新的定義，磁通量在閉合線圈內(nèi)隨時(shí)間變化可以激發(fā)產(chǎn)生電場(chǎng)，它解釋了電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)和它通過(guò)磁通量的關(guān)系。

第四個(gè)部分是磁場(chǎng)和電場(chǎng)的關(guān)系，它跟法拉第的想法不一樣，法拉第認(rèn)為磁場(chǎng)是不能完全由電場(chǎng)產(chǎn)生，電可以產(chǎn)生磁但是磁不能完全由電產(chǎn)生。而這第四個(gè)部分說(shuō)明在一個(gè)閉合圈內(nèi)的磁場(chǎng)可以完全由線圈內(nèi)的電流以及額外的變化電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生的。這四個(gè)方程堪稱為經(jīng)典，麥克斯韋將電融于磁、磁融于電的理論完全融合出來(lái)，并提出了電磁波的概念。

現(xiàn)在我們知道電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用，始終以電場(chǎng)90°垂直于磁場(chǎng)的形式向前傳播。麥克斯韋的理論以及非常完美的公式為波動(dòng)學(xué)說(shuō)又添上了精妙的一筆。在如今信息時(shí)代，所有的光通信、電通信以及無(wú)線通信也全部都是基于麥克斯韋的電磁波的方程組建立的，他堪稱是電磁波領(lǐng)域非常杰出的物理學(xué)家。

電磁波的傳播

第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)，隨著麥克斯韋提出的這個(gè)完美的公式，以波動(dòng)學(xué)勝出而告終。科學(xué)界非常有意思，當(dāng)波動(dòng)學(xué)占優(yōu)勢(shì)之后，大家全部都站回了波動(dòng)學(xué)這一邊，開始支持波動(dòng)學(xué)，反對(duì)粒子論了。

這時(shí)在物理學(xué)的晴空下飄來(lái)了兩朵烏云，其中一個(gè)是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，他證明了以太不存在，光速不變。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是這樣的，一束光穿過(guò)一個(gè)分波器，光被分為兩束，一束光會(huì)向上面的一個(gè)鏡子傳播，另外一束光會(huì)向右面的一個(gè)鏡子傳播。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

根據(jù)亞里士多德的理論，自然界當(dāng)中無(wú)處不存在一種叫以太的物質(zhì)，當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)動(dòng)的時(shí)候它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨著地球自轉(zhuǎn)或者公轉(zhuǎn)的以太風(fēng)，所有的物質(zhì)都在這個(gè)以太里，在這個(gè)過(guò)程中，它會(huì)測(cè)出隨著地球在移動(dòng)的時(shí)候的速度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，這束光被分為向上和向下的方向，“光速”會(huì)有差別，這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)有一側(cè)的速度超過(guò)了光速。根據(jù)牛頓力學(xué)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，一個(gè)自然人乘坐在高鐵上，高鐵以200公里/小時(shí)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如果人沿著高鐵前進(jìn)的方向以10公里/小時(shí)的速度在高鐵上行走，以地面為參照物，人會(huì)相對(duì)地面以210公里/小時(shí)的速度在運(yùn)動(dòng)。但是這個(gè)理論套用到光學(xué)上發(fā)現(xiàn)并不適用，后來(lái)觀察發(fā)現(xiàn)光速是絕對(duì)的，也是由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了愛因斯坦相對(duì)論的提出。

第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)

–量子革命的到來(lái)

另外一朵烏云就是黑體輻射。在波動(dòng)理論，黑體輻射的強(qiáng)度在紫外區(qū)域也就是短波區(qū)域會(huì)發(fā)散至無(wú)窮大，這和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嚴(yán)重違背，黑體輻射實(shí)驗(yàn)觀察到一直存在一個(gè)短波長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線擬合的公式，短波長(zhǎng)是以波的形式存在，而長(zhǎng)波長(zhǎng)是以粒子的形式存在，這兩個(gè)公式不能達(dá)到統(tǒng)一。這些不一致引起了量子革命，也就是第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)。第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)是光子的波動(dòng)性和粒子的戰(zhàn)爭(zhēng)，也是波粒戰(zhàn)爭(zhēng)的終章。

根據(jù)波動(dòng)學(xué)說(shuō)，在黑體輻射中得到的是一個(gè)長(zhǎng)波理論，它只適用于長(zhǎng)波，瑞利-金斯公式只適用于長(zhǎng)波，在短波的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)黑體溫度會(huì)變得無(wú)限大，這個(gè)是跟實(shí)驗(yàn)是不符合的。前面也提到了波長(zhǎng)越短，能量越大，輻射能量也會(huì)越大。除此之外麥克斯韋方程組、各種干涉和衍射實(shí)驗(yàn)以及泊松亮斑都證明了波動(dòng)學(xué)說(shuō)的正確性。

而粒子軍團(tuán)也有一些重要的證據(jù)，一是黑體輻射，從粒子角度提出了維恩公式，維恩公式是完全符合黑體輻射短波現(xiàn)象的公式，但是它唯一缺點(diǎn)是不適用于長(zhǎng)波。這時(shí)量子物理的奠基人普朗克出現(xiàn)了，他認(rèn)為所有的這些粒子的能量是等均分的，不是連續(xù)的，而是一份一份的。他提出的概念伴隨著普朗克常數(shù)的產(chǎn)生，每一個(gè)普朗克常數(shù)代表的是一份能量子，這個(gè)概念與波動(dòng)性完全不一樣。他認(rèn)為無(wú)論是電子能級(jí)的變化或者光子能級(jí)的變化都是一份一份等份的，而不是像波動(dòng)學(xué)說(shuō)認(rèn)為的波都是連續(xù)性地傳播的，因此這也是支持粒子學(xué)說(shuō)中非常重要的依據(jù)。

光電實(shí)驗(yàn)

直到1905年，愛因斯坦對(duì)光電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解釋，這是近代非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在光電實(shí)驗(yàn)中，他提出了光其實(shí)是一種粒子，這個(gè)粒子叫做光子，光子帶有普朗克所說(shuō)的等均分的粒子能量，這就是光子的能量，同時(shí)他提出了非常著名的光電能量公式：E=hυ。

后來(lái)康普頓實(shí)驗(yàn)上證明了光電效應(yīng)，他使用X射線照射金屬板，通過(guò)在金屬板上測(cè)量所激發(fā)出來(lái)的電子，觀察到當(dāng)光子打到金屬板上的時(shí)候激發(fā)了電子，使得電子以等同的能量從另外一個(gè)發(fā)射角出去，伴隨著這個(gè)電子，還有與入射光等波長(zhǎng)的光子出射。除此之外，他還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特殊的現(xiàn)象，就是在不同的入射光角度下，它還會(huì)激發(fā)出不同波長(zhǎng)的光子發(fā)散出去。這就是康普頓在光電效應(yīng)基礎(chǔ)上，做的一個(gè)升級(jí)版的實(shí)驗(yàn)，也更證明了光的粒子性。因?yàn)樗绻皇枪庾拥脑挘敲此鼰o(wú)法激發(fā)這些粒子以及不同其他波長(zhǎng)的光子。此時(shí)粒子軍團(tuán)和波動(dòng)軍團(tuán)處在僵持階段，直到海森堡提出了不確定性原理。

海森堡認(rèn)為所有物質(zhì)的動(dòng)量、能量和它的位置是不能同時(shí)可測(cè)準(zhǔn)的，也就是說(shuō)當(dāng)位置可測(cè)準(zhǔn)的時(shí)候，動(dòng)量一定不可測(cè)準(zhǔn)，動(dòng)量可測(cè)準(zhǔn)，那位置不可測(cè)準(zhǔn)，所測(cè)的位置越精準(zhǔn)，動(dòng)量的可測(cè)性也就越差，這個(gè)建立了波粒二象性的基礎(chǔ)。

德布羅意提出了物質(zhì)波的概念，他認(rèn)為既然波動(dòng)性和粒子性爭(zhēng)論不斷，不如將其統(tǒng)一，利用德布羅意公式假設(shè)了物質(zhì)既有波動(dòng)性又有粒子性。但是當(dāng)時(shí)這個(gè)理論無(wú)法證實(shí)，還是薛定諤方程證實(shí)了這個(gè)理論。提到薛定諤大家肯定都聽過(guò)薛定諤的貓，而他的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。在1924年，薛定諤通過(guò)數(shù)學(xué)的方式統(tǒng)一了波粒二象性，他用數(shù)學(xué)公式解釋了波動(dòng)性和粒子性是同時(shí)存在的。薛定諤方程其實(shí)是一個(gè)牛頓的能量守恒公式，認(rèn)為動(dòng)量和能量永遠(yuǎn)處在一個(gè)守恒的模式下。 

公式右側(cè)代表了粒子的波動(dòng)性，而不考慮粒子的性質(zhì)，他實(shí)現(xiàn)了將波動(dòng)性和粒子性從數(shù)學(xué)上完全的統(tǒng)一。至此波粒戰(zhàn)爭(zhēng)大家算達(dá)成了共識(shí)，獲得一個(gè)雙贏的局面，這是波粒戰(zhàn)爭(zhēng)的終章：光具有波粒二象性，既是光子又是一個(gè)電磁波。

決戰(zhàn)量子之巔

這是決戰(zhàn)量子之巔會(huì)議的照片，基本上波爾、海森堡、普朗克以及在波粒戰(zhàn)爭(zhēng)當(dāng)中出現(xiàn)過(guò)的知名的科學(xué)家都在這張圖中。大家可能在網(wǎng)上也聽說(shuō)這應(yīng)該是人類歷史上以來(lái)最高智商的一個(gè)陣容，也是這幫人在第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了波粒二象性的學(xué)說(shuō)。

光的波粒二象

性的實(shí)驗(yàn)證明

波粒二象性到底是如何被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的？我們已知雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的波動(dòng)性，光的干涉實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：讓平行光先通過(guò)單狹縫再通過(guò)雙狹縫進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，可以觀察到當(dāng)打開兩個(gè)狹縫的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)光斑，并且出現(xiàn)了明暗變換的紋路。明暗場(chǎng)的變化的機(jī)理是什么呢？一束平行光或者平行波進(jìn)入到雙縫的狹縫里時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生兩束分開的光波，這兩束光波會(huì)產(chǎn)生干涉，干涉效果就是在遠(yuǎn)場(chǎng)上看到的一個(gè)明暗場(chǎng)變化的一個(gè)光斑。

除了波動(dòng)性，還需要證明它的粒子性，這個(gè)時(shí)候使用一個(gè)探測(cè)器通過(guò)電信號(hào)來(lái)測(cè)量光子的分布，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在光源點(diǎn)處加一個(gè)濾波片，相當(dāng)于衰減了光子的數(shù)量，讓光子接近于一個(gè)一個(gè)地打到雙狹縫上，在遠(yuǎn)場(chǎng)的探測(cè)屏幕上進(jìn)行采點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間增加逐漸出現(xiàn)光斑。隨著時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，已經(jīng)是完全與干涉光斑一致了，這說(shuō)明了光的粒子性也是同時(shí)存在的。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)論：光是具有波粒二象性的。

光子到底是什么？

當(dāng)我們知道了光有波粒二象性之后，最后對(duì)光子下一個(gè)定義。光子到底是什么？首先光子它是一種玻色子。在基本粒子里面分為費(fèi)米子和玻色子，費(fèi)米子的特點(diǎn)是帶有1/2或者半整數(shù)倍的自旋，不同的夸克都有不同的特性。具有半整數(shù)倍自旋的是費(fèi)米子，而玻色子都是具有整數(shù)倍自旋的。光子不同于其它基本粒子，電子、中子等都具有質(zhì)量，而光子是不具備靜止質(zhì)量的。除此之外，光子具有波動(dòng)性。

物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型

知道了光子的性質(zhì)，我們?cè)撛趺蠢霉庾釉诂F(xiàn)在或者未來(lái)發(fā)展科技呢？如圖所示，這是現(xiàn)在光和電的應(yīng)用。愛因斯坦提出了光電效應(yīng)之后，我們利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光通信。無(wú)論是現(xiàn)在已有的光通信還是未來(lái)會(huì)使用的5G通信，需要用到很多光信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，它對(duì)未來(lái)通訊的發(fā)展，比如量子通訊和量子計(jì)算都需要用到光子的這個(gè)特性，而它的粒子性和波動(dòng)性在傳播當(dāng)中。 

光和電的應(yīng)用