比起波粒二象性，光的本質(zhì)更讓科學(xué)家們頭疼

一畫館 2023-01-14 發(fā)布于河南

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光以我們無法完全理解的方式承載著現(xiàn)實的秘密。

關(guān)鍵要點

光是我們所知道存在的所有事物中最神秘的。光不是物質(zhì)；它既是波又是粒子——它是宇宙中最快的東西。

光本身就是一個悖論。它與智慧和知識以及神圣相關(guān)。啟蒙運動提出將理性之光作為通向真理的指導(dǎo)路徑。我們進(jìn)化到可以非常準(zhǔn)確地識別視覺模式——區(qū)分樹葉和老虎，或者區(qū)分?jǐn)橙藨?zhàn)士的影子。許多文化將太陽視為神一樣的實體，提供光和熱。畢竟，沒有陽光，我們就不會在這里。

然而，光的本質(zhì)仍然是一個謎。當(dāng)然，我們已經(jīng)了解了大量關(guān)于光及其特性的知識。量子物理學(xué)在這條道路上一直是必不可少的，它改變了我們描述光的方式。但是光線很奇怪。我們不能像接觸空氣或水那樣接觸它。它是不是事物的事物，或者至少它不是由我們與事物相關(guān)聯(lián)的事物構(gòu)成的。

如果我們回到 17世紀(jì)，我們可以跟隨艾薩克·牛頓(Isaac Newton ) 與克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 在光的本質(zhì)上產(chǎn)生分歧。牛頓會聲稱光是由微小的、不可分割的原子組成的，而惠更斯會反駁說光是一種波，它在遍布整個空間的介質(zhì)上傳播：以太。他們都對，但他們都錯了。如果光是由粒子組成的，那么這些粒子是什么？如果它是一種在太空中傳播的波，那么這種奇怪的以太是什么？

光魔法

我們現(xiàn)在知道，我們可以從兩個方面來考慮光——粒子和波。但在 19世紀(jì)，光的粒子理論還不成熟，因為當(dāng)時波理論非常成功，那時候的人們認(rèn)為一個東西不可能是兩個東西。在 1800 年代初期，幫助破譯羅塞塔石碑的托馬斯·楊 (Thomas Young) 進(jìn)行了著名的實驗，展示了光在穿過小縫隙時如何發(fā)生衍射，就像眾所周知的水波一樣。光線會穿過狹縫，波浪會相互干擾，形成明亮和黑暗的條紋。而原子不能那樣做。

但是，什么是以太？19 世紀(jì)所有偉大的物理學(xué)家，包括發(fā)現(xiàn)了美麗的電磁學(xué)理論的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在內(nèi)，都相信以太就在那里，即使它讓我們望而卻步。畢竟，沒有像樣的波可以在真空中傳播。但是這種空間介質(zhì)很奇怪，它是完全透明的，所以我們可以看到遙遠(yuǎn)的星星。它沒有質(zhì)量，因此不會產(chǎn)生摩擦并干擾行星軌道。然而它非常堅硬，以允許超快光波的傳播。很神奇，對吧？麥克斯韋已經(jīng)證明，如果電荷上下振蕩，就會產(chǎn)??生電磁波。這是捆綁在一起的電場和磁場，當(dāng)它們穿過太空時，一個引導(dǎo)另一個。更令人驚奇的是，這種電磁波會以每秒 300000公里的光速傳播。

麥克斯韋得出結(jié)論，光是一種電磁波。兩個連續(xù)波峰之間的距離是一個波長。紅光的波長比紫光長。但任何顏色在虛空中的速度總是相同的。為什么大約是每秒300000公里？沒人知道。光速是自然常數(shù)之一，我們測量的數(shù)字描述了事物的行為方式。

像波浪一樣穩(wěn)定，像子彈一樣堅硬

一場危機(jī)始于 1887 年，當(dāng)時阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫利進(jìn)行了一項實驗來證明以太的存在。但他們無法證明一件事，那就是他們的實驗未能證明光在以太中傳播。理論物理學(xué)家想出了奇怪的想法，他們認(rèn)為實驗失敗是因為儀器在運動的方向上收縮了。任何事情都比接受光實際上可以在真空中傳播要好。

然后是阿爾伯特·愛因斯坦。1905 年，這位天才在26 歲時就已經(jīng)寫了兩篇論文，也徹底改變了我們想象光和現(xiàn)實世界的方式。讓我們從第二篇論文開始，即關(guān)于狹義相對論。

愛因斯坦表明，如果將光速視為自然界中最快的速度，并假設(shè)即使光源在移動，該速度也始終相同，那么兩個觀察者相對于彼此以恒定速度運動，并使在比較結(jié)果時，觀察需要更正他們的距離和時間測量值。因此，如果一個人在行駛的火車上而另一個人站在車站，他們對同一現(xiàn)象進(jìn)行測量的時間間隔就會不同。愛因斯坦為兩人提供了一種比較他們結(jié)果的方法，使他們能夠相互一致。校正表明光可以而且應(yīng)該在真空中傳播。

愛因斯坦的另一篇論文解釋了所謂的光電效應(yīng)，這種效應(yīng)在 19 世紀(jì)在實驗室中被測量到，但仍然是一個完全的謎。如果光照射到金屬板上會發(fā)生什么？這取決于光線。不在于它有多亮，而在于它的顏色——或者更恰當(dāng)?shù)卣f，它的波長。黃燈或紅燈不起作用。但是用藍(lán)光或紫光照射盤子，盤子就會帶上電荷。（因此稱為光電。）光如何使一塊金屬帶電？麥克斯韋光的波動理論，在很多事情上都很擅長，無法解釋這一點。

年輕的愛因斯坦大膽而富有遠(yuǎn)見，提出了一個離譜的想法:即光可以是一種波浪，也可以由顆粒組成。根據(jù)情況或?qū)嶒烆愋?，一種或另一種描述占上風(fēng)。對于光電效應(yīng)，我們可以想象光的小“子彈”擊中金屬板上的電子并將它們踢出，就像臺球從桌子上飛出去一樣。失去電子后，金屬現(xiàn)在擁有多余的正電荷。就這么簡單。愛因斯坦甚至為飛行電子的能量提供了一個公式，并將其等同于入射光彈或光子的能量。光子的能量為 E = hc/L，其中 c 是光速，L 是光的波長，h 是普朗克常數(shù)。該公式告訴我們，更短的波長意味著更多的能量——對光子的沖擊更大。

愛因斯坦因這個想法獲得了諾貝爾獎。他從本質(zhì)上提出了我們現(xiàn)在所說的光的波粒二象性，表明光既可以是粒子又可以是波，并且會根據(jù)情況以不同方式表現(xiàn)出來。光子——即我們的光彈是光的量子，可能是最小的光包。因此，愛因斯坦將量子物理學(xué)引入光理論，表明這兩種行為都是可能的。