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“光”究竟是个什么样的东西?

2019-08-20  pgl147258

打我们襁褓中睁开双眼感受这个光明的世界开始,我们就再也离不开“光”这个神奇的东西。它真的很神奇,它既不是固体、液体,也不是气体,既不能捧之把玩,也不能食之果腹,古往今来,人们对“光”更是一种莫名的敬仰,如光荣、光明、风光、春光……等等一大波类似的词语都是对人或物的极尽赞扬。而玩家们对于计算机性能的追求,不也可看作是一个追光的过程吗?

“光”究竟是个什么样的东西?

对于绝大多数人来说,对于光的认识应该是非常非常贫乏的,比如晒太阳为什么觉得热?光如何引起我们的视觉?为什么光有各种颜色?光是物质吗?等这些问题能答上来应该没几个,其实,光的本性困扰着古往今来的所有物理学家,科学家们对光的认识也是历经曲折。

科学家们对光的认识:粒子还是波?

关于光的第一个系统的理论是惠更斯1690年的《光论》,惠更斯认为光是一种光源发出的机械波。不久之后,牛顿在1704年发表《光学》提出一个截然不同的理论,此时距离他提出万有引力定律、建立整个经典力学已经足足过去17年。牛顿力学仍是今天大部分物理学的基础,但牛顿的光学体系早就已经支离破碎,可见对光的认识有多么困难。牛顿认为光是从光源发出的高速直线运动的弹性微粒流,这些粒子就像小弹珠一样,不同的弹珠有不同的颜色,它们携带能量,所以不断照射可以生热。

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牛顿与惠更斯的粒波之争

不过牛顿的理论几乎没有任何证据,他最有力的证据是他是英国皇家科学院院长。但是科学从不迷信权威,后来的实验发现了光具有和水波非常相似的性质,惠更斯的波动说风靡一时。然而,牛顿毕竟还是牛顿,他提出的微粒说沉寂了201年后,在1905年又被爱因斯坦拿出来成功解释了光电效应,并因此获得诺贝尔物理学奖。没错,爱因斯坦不是因为相对论,而是因为光的微粒说获得诺贝尔物理学奖!牛顿的棺材板是不是要压不住了?两百年前我就说过的东西,你们还搞不懂。

“光”究竟是个什么样的东西?

概括起来,人们对光的认识经历了几个这样几个阶段:

1. 惠更斯和牛顿相继提出两种理论,都没有足够的证据,由于牛顿是院长,微粒说占据主流;(牛顿发现的三棱镜色散现象,证明了白光由七种单色光组成,用这两种理论都解释得通。)

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色散的微粒解释

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色散的波动解释

2. 直到1801年一个叫杨的人做了一个实验,证明了光是一种波,波动说又占据上风;(这是后面重点要讲的)

3. 1864年麦克斯韦方程组横空出世,预言了光是一种电磁波,虽然不同于惠更斯所说的机械波,但波动说的地位更加难以动摇;

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电磁波

4. 1887年赫兹发现了光电效应,但无法用波动说解释,1905年爱因斯坦又提出光子说,用量子的观点解释了光电效应;(光电效应:用光照一块金属板,金属板中的电子会被打出来,这种电子称为光电子。下图金属板连在验电器上,就可以检测出跑出来的电子的数量。)

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光电效应

5. 1923年德布罗意提出物质波,认为所有物质都对应着一种波,标志着“波粒二象性”概念的建立,光既是粒子也是波。

探索光的本质

接下来我们就随着历史上物理学家的步伐,探索一下光是什么。

要想深入了解光的本质,先要弄清楚波到底是个什么玩意。生活中我们经常会看到波,比如水波、甩动绳子的一股股波,像这样:

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水波

“光”究竟是个什么样的东西?

绳子中的波

这些波都是机械波,它们在介质中传播,比如水要依赖一个个水分子来传递这种振荡,绳子的每个质点扯动它附近的绳子以传播波;最开始光的波动说也认为光是一种机械波,在“以太”中传播,而麦克斯韦预言光是一种电磁波,是电场和磁场的交替变化在传播,不需要介质,可以在真空中传播。1887年迈克尔逊和莫雷证明了宇宙中不存在“以太”这种东西,证实了麦克斯韦的预言(没错,也就是在这一年,光电效应被发现,波动说无法解释)。

但无论是机械波还是电磁波,既然都叫做波,必然有一种共性,那就是波的本质——干涉叠加。想象绳子中有两列传播方向相反的波,就会是这样:

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波的叠加

红色和蓝色代表两列单独的波,把它们的幅度代数相加,黑色则是绳子实际的振动情况。这样两列或多列独立的波在空间上相遇时产生的叠加,我们就叫干涉。

在介绍那个叫杨的人的实验之前,还要了解波的另一个特性,就是衍射。衍射就是波绕过障碍物继续传播的现象。生活中最常见的就是水波的衍射,水波经过一个缝之后,就会是这个样子:

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宽缝衍射

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狭缝衍射

缝的宽度越窄,衍射作用就越明显。

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是不是平时如果窗户开了一条很小的缝就会很吵,把窗户关死就立刻安静下来了?这完全是因为声波衍射的结果。声波的波长一般在零点几米到十几米左右,门缝的宽度就算一厘米,相比波长是非常小了,所以衍射效果很明显。我们的收音机、手机信号也都需要通过衍射来传到我们手机,如果你在一个密闭或者偏僻的角落信号就会很差了。

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但是,光的波长在几百纳米,波长非常小,所以门缝什么的对它来说都太宽了,所以我们一般说光沿直线传播,就是认为它没有衍射作用。1801年,托马斯·杨巧妙设计了一个实验,让一束相干光经过两个很小很小的狭缝,如果光是波,就应该会像水波一样干涉:

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水波干涉

而如果光是粒子,则应该会像子弹枪一样(一个子弹枪扫射,如果只开1孔,墙上的子弹分布应该会像P1一样,2孔亦然,如果两个孔都打开,毫无疑问墙上的子弹分布就是P=P1+P2):

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事实是,光像水波一样。杨氏双缝干涉的结果是这样的:

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杨氏双缝干涉

光通过双缝后没有照亮整个屏幕,而是出现明暗相间的条纹。这充分说明了光是波,而不是粒子!托马斯·杨说:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”几十年后,麦克斯韦的方程组告诉我们,光是一种电磁波,它是由于变化的电场和变化的磁场相互激发以在真空中传播,彻底解释了光的波动性的物理基础。

看起来,光是一种波已经无可争议了。但很快风云突变,赫兹的光电效应无法用麦克斯韦的方程解释。光电效应的诡异现象在于:如果增大入射光的强度,跑出来的光电子的速度并不会增大,仅仅是数目变多,看起来,每个电子都有自己的配额,注入能量越多,获益的电子越多,但每个电子不会获得更多的能量。波动说无法解释这一现象,物理学再次陷入了困境。

1905年的爱因斯坦,26岁(孩子都两岁大了),连发5篇论文,3月份用一篇论文解决光电效应并因此或诺奖,4月份用另一篇论文取得博士学位,5月一篇论文创立狭义相对论。开了挂吧?光电效应的解释是,光是一种粒子(光子),每个光子都具有一个特定的能量值,这个值只和这个光子的频率有关(光子哪来频率??其实是说的这个光子对应的电磁波的频率,这就为日后的波粒二象性埋下了伏笔)。

光电效应中每个电子只吸收一个光子,所以当增大光强时实际上是增加了光里面的光子数目,所以被打出来的光电子就变多了,但每个光电子获得的能量还是一样的,速度不会增加;如果改变入射光的频率,相当于改变了每个光子的能量,频率越高光子能量越大,如果光子的能量太小(频率低于那个阈值),就不能激发光电子,光电效应就没有了,这也符合实验现象。所以我们平时看到的火焰,蓝色的光子频率高,温度也就高,红色黄色的就不行了,烧菜都要用蓝色外焰烧哦~

看起来,波动说和粒子说公说公有理婆说婆有理,有时候粒子说解决不了的问题就用波动说解释,波动说解释不了的粒子说凑数。还可以这样的吗?

“光”究竟是个什么样的东西?

20世纪以前的物理学家,有研究力学的、热学的、电学的、光学的,而20世纪的物理学家,全部都是研究量子力学的。1927年第五次索维尔会议合影(下图),相信很多童鞋都知道这是最天才的一张照片,29人中有17人获得诺贝尔物理学奖(当然,居里夫人还获得了化学奖)。索维尔会议,就是召集全天下最聪明的科学家来讨论量子力学,因为没有一个人能搞明白量子力学。

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1927年索维尔会议,科学界的超豪华阵容

量子力学的产生,就从1900年普朗克提出量子假说、1905年爱因斯坦引入光子开始。1923年德布罗意说:任何一个物体都对应一种波,每个物体都有波粒二象性。我们先来看看1961年的电子干涉实验,这个实验被《Physics World》评为物理学史上最美的实验。它美就美在用电子做出了跟杨氏干涉完全一样的结果(像之前的子弹枪一样,这次用电子枪扫射):

“光”究竟是个什么样的东西?

电子干涉

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这说明,电子也像光一样,可以表现出跟乒乓球不一样、而跟水波一样的干涉叠加的性质。这证明了德布罗意的说法,我们有理由因此相信任何物体都具有波动性。什么?那子弹枪那个实验为什么没有波动性?实际上,根据德布罗意给出的计算公式,对于子弹来说,波长是如此之短,以至于干涉图案变得非常细密,细密到人们用任何探测器都无法分辨,我们所看到的子弹的分布只是干涉的一种平均(下图右)。

“光”究竟是个什么样的东西?
“光”究竟是个什么样的东西?

各位童鞋一定承认我说得好像很有道理,但还是不太相信,所有物质都对应一种波?啥意思?德布罗意自己也搞不清楚。1926年马克思·玻恩提出统计诠释,认为这种波是一种概率波,即粒子出现在空间某一位置的概率,所以大量电子或光子可以体现出波动性,他们出现在不同位置的概率有的位置大有的位置小,就表现出了干涉的图样。

后来,人们可以控制光子一个一个地发射,每个光子通过双缝后,都会打在接受屏的某一个位置,这是妥妥的粒子性。但每次同样地发出一个光子,光子最终到达的位置是不一样的,如果一个一个发射很多很多的光子,他们就会按照概率的统计分布在屏幕上,形成干涉图样(单光子干涉)。少量光子往往体现粒子性,而大量光子则体现波动性。

光是物质,它携带有能量,是波也是粒子

等等等等生活中的光学现象,只要从粒子性和波动性两个角度考虑一下,没有什么解释不了的呢。故事也听了,知识也学了,自己能说清光是什么了吗?来来来,划重点,1801年的杨氏干涉说明光是波,1905年爱因斯坦光电效应说明光是光子,1961年电子干涉实验证明一切物质都既是波也是粒子,叫做波粒二象性。

现在明白光是什么了吧?现在想想开头提出的问题。为什么晒太阳会热?因为光子携带能量,也因为电磁波传输能量。光如何引起我们的视觉?因为有光子打在我们的视网膜上,也因为电磁场的振荡引起视神经的反应。光为什么有各种颜色?因为不同频率的光子携带的能量不一样,电磁场的振荡速度也不一样,引起视神经不同的感觉。光是物质吗?是的,光具有能量和动量,当它照在靶上时会产生压力,称为光压,小编将来的研究方向就是光压驱动其它粒子加速哦。

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