 第十八课 问世间“光”为何物 ——光的行为与三次波粒战争（下） 主讲人  《云里 · 悟理》系列微课简介   在这里遇见新物理，在这里洞见新未来。我是中科院物理所副研究员王霆，在这一课给大家讲解自然界中非常有意思的一个元素——光。 第二次波粒战争 –波动学的大获全胜 01 第一次波粒战争以牛顿学说胜出告终，随着牛顿学说盛行之后过了几十年，在1801年，这个时候出现了另外一个纷争者——托马斯∙杨。他做出了光的干涉现象实验，并成为第一个提出了干涉理论的人。  托马斯∙杨  光的干涉实验 如图所示，一个点光源形成扩散波，当这个波进入两个分开的狭缝，狭缝距离很近时会发生干涉。干涉现象的发现，基本认为托马斯∙杨验证了光一定是一种波动的形态。为什么会产生干涉？任何的波像水波都是一种波的形式，像一个正弦函数的波形，当正弦波发生一个相位的偏移时，比如半周期的相位偏移，会发现波的峰值和下一束波的谷底重叠。那么这个重叠导致两个波相互抵消，当两个波是同相位的，那么它的波峰和波峰、谷底和谷底会重叠，分别产生光的增强和光的衰减。这是为什么两束相干光发生干涉后会在远处的成像板呈现出明暗明暗的周期性的图样。 托马斯∙杨开始逐渐推翻牛顿关于光的粒子性理论。在1818年的时候，出现了一个非常著名的科学家，他对光学的贡献也是非常大的，他就是菲涅尔。牛顿当时提出一个现象——牛顿环，它发现光透过一个透镜或者不均匀的介质后会产生彩色的环状光斑，这个现象在生活中也很常见，当你按压手机膜这种透明的薄膜的时候，会产生一个彩色的光斑，然而牛顿环没有办法通过光的粒子性来解释。菲涅尔在研究光的时候，进行了单孔衍射实验，这个实验就彻底解释了牛顿环现象。  牛顿环 如图所示，牛顿环是不同的波相互之间产生了自干涉或者自相干的作用，当你看一个远景的时候，会发现不同的光斑，这些环状的光斑基本上为波动学的支持者打了一针强心剂。菲涅尔提出单孔衍射后，泊松本来是一个粒子学派的支持者，泊松认为如果光具有波动性，那么在一个点光源前面放一个圆盘状的遮挡物，如果光是粒子，圆盘的后方一定是不会有光的，而如果光是波，它既然自相干，那么这束光过去之后一定会在圆盘后面的正中央产生一个亮点，由于光多重相互干涉的作用，会产生一个光斑，所以他认为菲涅尔必须证明这一点，才能证明光的波动性成立。  惠更斯-菲涅尔原理 泊松提出这个实验是因为他觉得菲涅尔根本不可能做出这个实验，菲涅尔一开始其实并没有想过这个问题，但既然泊松提出了猜想，他就必须要佐证这件观点。因此他做了这个实验，结果发现一个光晕当中确实有一个亮点，这恰巧完全地支持了波动说。而且菲涅耳因为泊松提出的这个概念，他佐证了之后为了气一气泊松还给它起了个名字叫泊松光斑。这个差点没把泊松给气死，这也是历史上非常有意思的一个小故事。  泊松光斑 第二次波粒战争中，波动学渐渐占了上风，这个时候出现了一个非常非常伟大的物理学家——麦克斯韦。1873年麦克斯韦就提出了算是近代对光理解最深刻的一个公式——麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组在物理学界被公认是一个美得令人窒息的方程组，因为它彻底解释了电磁波的产生和传播机理，而且也为波粒二象性的研究做出了非常大的贡献。  麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组它具体讲了些什么呢？这四个公式里第一个部分是对电场的定义，一个闭合平面内电场积分的总量等于面内电荷的总量，这是根据高斯定律所推导出来的。 第二个部分是对面内磁场的定义，闭合面内磁场的积分永远是0，因为观察发现任何磁场的北极永远离不开南极，南北极是共同存在的，因此任何一个闭合区间内通过的磁通量和返回的磁通量是等同的，它们相互抵消，最终导致任何闭合面内的磁场的积分都为零。 第三个部分是麦克斯韦对电场进行了一个新的定义，磁通量在闭合线圈内随时间变化可以激发产生电场，它解释了电场与变化的磁场和它通过磁通量的关系。 第四个部分是磁场和电场的关系，它跟法拉第的想法不一样，法拉第认为磁场是不能完全由电场产生，电可以产生磁但是磁不能完全由电产生。而这第四个部分说明在一个闭合圈内的磁场可以完全由线圈内的电流以及额外的变化电流产生的磁场叠加产生的。这四个方程堪称为经典，麦克斯韦将电融于磁、磁融于电的理论完全融合出来，并提出了电磁波的概念。 现在我们知道电磁波是电场和磁场的相互作用，始终以电场90°垂直于磁场的形式向前传播。麦克斯韦的理论以及非常完美的公式为波动学说又添上了精妙的一笔。在如今信息时代，所有的光通信、电通信以及无线通信也全部都是基于麦克斯韦的电磁波的方程组建立的，他堪称是电磁波领域非常杰出的物理学家。  电磁波的传播 第二次波粒战争，随着麦克斯韦提出的这个完美的公式，以波动学胜出而告终。科学界非常有意思，当波动学占优势之后，大家全部都站回了波动学这一边，开始支持波动学，反对粒子论了。 这时在物理学的晴空下飘来了两朵乌云，其中一个是迈克尔逊-莫雷实验，他证明了以太不存在，光速不变。这个实验装置是这样的，一束光穿过一个分波器，光被分为两束，一束光会向上面的一个镜子传播，另外一束光会向右面的一个镜子传播。 迈克尔逊-莫雷实验 根据亚里士多德的理论，自然界当中无处不存在一种叫以太的物质，当地球运动的时候它会产生一个随着地球自转或者公转的以太风，所有的物质都在这个以太里，在这个过程中，它会测出随着地球在移动的时候的速度。在这个实验里，这束光被分为向上和向下的方向，“光速”会有差别，这个时候会发现有一侧的速度超过了光速。根据牛顿力学的相对运动原理，一个自然人乘坐在高铁上，高铁以200公里/小时运动的时候，如果人沿着高铁前进的方向以10公里/小时的速度在高铁上行走，以地面为参照物，人会相对地面以210公里/小时的速度在运动。但是这个理论套用到光学上发现并不适用，后来观察发现光速是绝对的，也是由于这个实验导致了爱因斯坦相对论的提出。 第三次波粒战争 –量子革命的到来 02 另外一朵乌云就是黑体辐射。在波动理论，黑体辐射的强度在紫外区域也就是短波区域会发散至无穷大，这和实验现象严重违背，黑体辐射实验观察到一直存在一个短波长。根据实验曲线拟合的公式，短波长是以波的形式存在，而长波长是以粒子的形式存在，这两个公式不能达到统一。这些不一致引起了量子革命，也就是第三次波粒战争。第三次波粒战争是光子的波动性和粒子的战争，也是波粒战争的终章。 根据波动学说，在黑体辐射中得到的是一个长波理论，它只适用于长波，瑞利-金斯公式只适用于长波，在短波的时候就会发现黑体温度会变得无限大，这个是跟实验是不符合的。前面也提到了波长越短，能量越大，辐射能量也会越大。除此之外麦克斯韦方程组、各种干涉和衍射实验以及泊松亮斑都证明了波动学说的正确性。 而粒子军团也有一些重要的证据，一是黑体辐射，从粒子角度提出了维恩公式，维恩公式是完全符合黑体辐射短波现象的公式，但是它唯一缺点是不适用于长波。这时量子物理的奠基人普朗克出现了，他认为所有的这些粒子的能量是等均分的，不是连续的，而是一份一份的。他提出的概念伴随着普朗克常数的产生，每一个普朗克常数代表的是一份能量子，这个概念与波动性完全不一样。他认为无论是电子能级的变化或者光子能级的变化都是一份一份等份的，而不是像波动学说认为的波都是连续性地传播的，因此这也是支持粒子学说中非常重要的依据。 光电实验 直到1905年，爱因斯坦对光电实验进行了解释，这是近代非常重要的一个实验。在光电实验中，他提出了光其实是一种粒子，这个粒子叫做光子，光子带有普朗克所说的等均分的粒子能量，这就是光子的能量，同时他提出了非常著名的光电能量公式：E=hυ。 后来康普顿实验上证明了光电效应，他使用X射线照射金属板，通过在金属板上测量所激发出来的电子，观察到当光子打到金属板上的时候激发了电子，使得电子以等同的能量从另外一个发射角出去，伴随着这个电子，还有与入射光等波长的光子出射。除此之外，他还发现了一个特殊的现象，就是在不同的入射光角度下，它还会激发出不同波长的光子发散出去。这就是康普顿在光电效应基础上，做的一个升级版的实验，也更证明了光的粒子性。因为它如果不是光子的话，那么它无法激发这些粒子以及不同其他波长的光子。此时粒子军团和波动军团处在僵持阶段，直到海森堡提出了不确定性原理。 海森堡认为所有物质的动量、能量和它的位置是不能同时可测准的，也就是说当位置可测准的时候，动量一定不可测准，动量可测准，那位置不可测准，所测的位置越精准，动量的可测性也就越差，这个建立了波粒二象性的基础。 德布罗意提出了物质波的概念，他认为既然波动性和粒子性争论不断，不如将其统一，利用德布罗意公式假设了物质既有波动性又有粒子性。但是当时这个理论无法证实，还是薛定谔方程证实了这个理论。提到薛定谔大家肯定都听过薛定谔的猫，而他的贡献远不止于此。在1924年，薛定谔通过数学的方式统一了波粒二象性，他用数学公式解释了波动性和粒子性是同时存在的。薛定谔方程其实是一个牛顿的能量守恒公式，认为动量和能量永远处在一个守恒的模式下。 公式右侧代表了粒子的波动性，而不考虑粒子的性质，他实现了将波动性和粒子性从数学上完全的统一。至此波粒战争大家算达成了共识，获得一个双赢的局面，这是波粒战争的终章：光具有波粒二象性，既是光子又是一个电磁波。 决战量子之巅 这是决战量子之巅会议的照片，基本上波尔、海森堡、普朗克以及在波粒战争当中出现过的知名的科学家都在这张图中。大家可能在网上也听说这应该是人类历史上以来最高智商的一个阵容，也是这帮人在第三次波粒战争当中实现了波粒二象性的学说。 光的波粒二象 性的实验证明 03 波粒二象性到底是如何被实验证实的？我们已知双缝干涉实验证实了光的波动性，光的干涉实验是这样进行的：让平行光先通过单狭缝再通过双狭缝进行双缝干涉实验，可以观察到当打开两个狭缝的时候会出现两个光斑，并且出现了明暗变换的纹路。明暗场的变化的机理是什么呢？一束平行光或者平行波进入到双缝的狭缝里时，它会产生两束分开的光波，这两束光波会产生干涉，干涉效果就是在远场上看到的一个明暗场变化的一个光斑。 除了波动性，还需要证明它的粒子性，这个时候使用一个探测器通过电信号来测量光子的分布，在现有的实验基础上，在光源点处加一个滤波片，相当于衰减了光子的数量，让光子接近于一个一个地打到双狭缝上，在远场的探测屏幕上进行采点，会发现随着时间增加逐渐出现光斑。随着时间越来越长，已经是完全与干涉光斑一致了，这说明了光的粒子性也是同时存在的。通过这个实验可以得到结论：光是具有波粒二象性的。 光子到底是什么？ 04 当我们知道了光有波粒二象性之后，最后对光子下一个定义。光子到底是什么？首先光子它是一种玻色子。在基本粒子里面分为费米子和玻色子，费米子的特点是带有1/2或者半整数倍的自旋，不同的夸克都有不同的特性。具有半整数倍自旋的是费米子，而玻色子都是具有整数倍自旋的。光子不同于其它基本粒子，电子、中子等都具有质量，而光子是不具备静止质量的。除此之外，光子具有波动性。 物理学标准模型 知道了光子的性质，我们该怎么利用光子在现在或者未来发展科技呢？如图所示，这是现在光和电的应用。爱因斯坦提出了光电效应之后，我们利用光电效应实现了光通信。无论是现在已有的光通信还是未来会使用的5G通信，需要用到很多光信号和电信号的转化，它对未来通讯的发展，比如量子通讯和量子计算都需要用到光子的这个特性，而它的粒子性和波动性在传播当中。 光和电的应用 |
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