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波粒二象性,是爱因斯坦向现实的'屈服' | 王木头讲科学

2017-08-31  钰鉴咖




来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。



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爱因斯坦说,光是波也是粒子 来自把科学带回家 10:02



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麦克斯韦1865年通过数学预测了电磁波的存在,不过在没有试验证明之前电磁波还只能是一种假说。要再过20多年,到了1887年,德国科学家赫兹才在实验室里发现了电磁波。到了1888年他把自己的发现发表了出来,在当时的科学界引起了轰动。这代表又一次由数学引导了物理发现。

赫兹也因为这项发现而名垂青史,他的名字被拿来命名了物理学中的一个单位。任何东西,它一秒钟震动的次数都被称为频率。频率的国际标准单位是赫兹。就像是距离的国际标准单位是米、时间的国际标准单位是秒一样。


赫兹


频率对于电磁波非常重要,因为有这样一个等式,波的传播速度=波长×频率。可以想象一下,有这样一个波源,每次只会发出一个完整的波。这个波会震荡地向前移动。每震荡一次,这道波会像是一条蛇一样向前移动一段距离。这个距离是多少呢?正好是一个完整波的长度,也就是波长。那么,一秒钟震动的次数乘以波长,就可以知道这道波一秒钟移动的距离了。1秒钟移动的距离不就是速度吗?这个公式就是这样来的。所以,对于电磁波,波长×频率=光速。

光速是恒定的,所以只要知道了电磁波的频率就可以计算出它的波长,同样知道了波长就可以计算出它的频率。我们知道可见光也是电磁波,而且可将光的波长范围大概在380nm到760nm之间,用光速除以它们,就是可见光频率的范围:3.9×10^14赫兹到7.9×10^14赫兹之间。这个10的14次方可是非常大的一个数字,相当于1的后面写上14个0。




赫兹在发现电磁波的过程中还有一个小发现,在当时虽然也引起过一些科学家的兴趣,但是远远不如电磁波的发现来得轰动。可能让他自己也没有想到,这个小发现竟然为光的粒子学说又铺平了道路。

这个小发现就是,如果用紫外线照射金属的话,金属会放电。后来又经过其他科学家的研究,发现是因为紫外光线照射到金属上之后,会让金属上的电子飞出去,就像是被小球撞了出来一样。而且还有一点很奇怪,就是只有紫外线有效,其他的光不行。即使这个光的亮度再强都不可以。可是如果换成了紫外线的话,即使光照再弱也是会有电子飞出去。

科学家们就困惑了,光线不是亮度越大携带的能量越多吗?能量越多就应该能撞出更多的电子才对啊,为什么最后只有紫外线可以,而且不管多弱的紫外线都可以。科学家们当时没有答案。



直到18年后有人站出来解答了这个问题,他就是爱因斯坦。他借鉴普朗克的观点,光会不会是一粒一粒发出来的呢?一粒一粒的光子,就像是一个一个的能量包,能量的大小是有可能不同的。所有光的光速都一样,所以决定光子能量的一定和速度无关。那光子的能量会不会和频率或是波长有关?如果是可见光的话,就是说不同颜色的光,它们的光子所携带的能量是不同的。

频率越高,波长越长,那么一个光子的能量就越大。这样就可以解释为什么只有紫外线可以把金属中的电子撞出来了。因为紫外线的频率非常大,单个光子就能携带很多能量,这样才有可能把电子撞得脱离开原子核的吸引。而其他光线呢,单个光子能量太小,根本撞不动电子。即使把光线的亮度调到非常亮。就比如非常晃眼的红光,它仍然是红光,频率没有变,也就是没有提高单个光子的能量。亮度高看起来很晃眼,其实只是增加了发射出来的光子数量。光子越多,我们感觉到越亮。

所以单个光子能量仍然不够,光子再多也没有办法让电子飞出来。就像是你用手去拍打墙壁,即使你拍打的速度再快,只要单次拍打的力度不够,还是不可能把墙拍穿的。可如果是换成机器人,力道非常的大,一次就可以把墙打穿。

这样看来,光应该是粒子的,那到底应该是粒子学说能胜利呢?还是波动学说可以胜利呢?爱因斯坦说啊,别争了,两种说法都有道理,要不然我们就认为说光既是波也是粒子好啦。他还专门起来一个名字叫做光的波粒二象性。



爱因斯坦就是这样随性。相对论的提出也是这样。虽然当时实验已经发现了光速是不变的。可是呢,当时所有的科学家都认为这不可能,要么去研究是不是实验做错了,要么就是去找找看是不是理解上有问题。可爱因斯坦呢?哎呀,实验都是这样了,我们还想什么,不论多怪异,多不可思议,我们不如先假设实验是对的。于是他就在这个假设下提出了伟大的相对论。

这一次也是这样,光是波还是粒子呢?不论多么不可思议,我们看到的事实就是这样,光既有波的性质,又有粒子的性质。我们不如认为光就是这么奇怪。爱因斯坦的伟大就是建立在他这样的想法之上的,把实验和实证的结论放在自己的想法和观念之前,让想法和观念去适应实验的结论而不是反过来。

当然,即使是爱因斯坦提出了光的波粒二象性,此时此刻仍然是一个假设,并不一定就是真的,还需要实验来证明。最后在10年之后,终于由美国科学家密立根用实验证明了爱因斯坦的假说,光果然既是波又是粒子。


左边是爱因斯坦,右边是密立根


这是一项科学家的伟大发现,不过对于我们普通人来说这可是一件麻烦事。不论是把光看做是波,还是看做是粒子,都会很好想象,可是这既是波又是粒子该如何想象呢?是把一个光子想象成一个小点,沿着波浪线前行呢?还是,把一个光子就想象成一个直行的小点,只是它的状态会在电和磁之间来回闪烁呢?或许我们永远也想象不出来,就像是我们永远也想象不出来4维空间的样子一样。

光子,是基本粒子,基本的粒子是没有大小的。可是,光又是横波,如果有一个小细缝挡在前面,光子震动方向和这个细缝方向不一样的话,他是会被挡在外面的。这样看来光子好像又是有宽度的。怎么可能又有宽度,又没有大小呢?

真的是太难以想象了,其实我们也不需要在这方面花费太多脑细胞。物理学的发展,越是到了现代就越抽象,越难以被我们大脑想象。我们人类的大脑的进化没有办法跟上科技的发展。还好,人类是可以利用数学的,用数学可以描述这一切。这也是为什么越是先进的科学,越需要数学来支持,因为它们已经超出了我们大脑可以想象的情况。

还是通过数学,再加上科学家们富有勇气的想象力。于是就有人想了,既然电磁波也是粒子,那么我们平时认为的粒子,有没有可能也是波呢?法国的贵族,也是一位优秀的科学家德布罗意,用数学发现了原来粒子也可以是波的,并把它叫做物质波。再后来,其他的科学家真的在实验中发现了,电子是具有波动性的。

当然这就是另外的故事了——量子物理的故事,有机会我们再详细讲这部分的内容。在10期的内容里面,我们把人类对光的了解做了系统的介绍。光学在粒子说和波动说的争论中发展,最后成为了一体。也正是我们对光的研究,在20世纪之初,发展出来了2个庞大的物理体系——相对论和量子物理。它们是整个现代物理学的基础,在未来很长一段时间,它们应该仍然是物理学的重心。现在相对论和量子物理很多地方还是不兼容的,等到下一次物理理论大发展,一定是相对论和量子物理的统一的时候。


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