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比起波粒二象性,光的本质更让科学家们头疼

  (全文约2000字,读完需要2分钟)
  光以我们无法完全理解的方式承载着现实的秘密。
  关键要点光是我们所知道存在的所有事物中最神秘的。光不是物质;它既是波又是粒子它是宇宙中最快的东西。
  光本身就是一个悖论。它与智慧和知识以及神圣相关。启蒙运动提出将理性之光作为通向真理的指导路径。我们进化到可以非常准确地识别视觉模式区分树叶和老虎,或者区分敌人战士的影子。许多文化将太阳视为神一样的实体,提供光和热。毕竟,没有阳光,我们就不会在这里。
  然而,光的本质仍然是一个谜。当然,我们已经了解了大量关于光及其特性的知识。量子物理学在这条道路上一直是必不可少的,它改变了我们描述光的方式。但是光线很奇怪。我们不能像接触空气或水那样接触它。它是不是事物的事物,或者至少它不是由我们与事物相关联的事物构成的。
  如果我们回到17世纪,我们可以跟随艾萨克牛顿(IsaacNewton)与克里斯蒂安惠更斯(ChristiaanHuygens)在光的本质上产生分歧。牛顿会声称光是由微小的、不可分割的原子组成的,而惠更斯会反驳说光是一种波,它在遍布整个空间的介质上传播:以太。他们都对,但他们都错了。如果光是由粒子组成的,那么这些粒子是什么?如果它是一种在太空中传播的波,那么这种奇怪的以太是什么?
  光魔法
  我们现在知道,我们可以从两个方面来考虑光粒子和波。但在19世纪,光的粒子理论还不成熟,因为当时波理论非常成功,那时候的人们认为一个东西不可能是两个东西。在1800年代初期,帮助破译罗塞塔石碑的托马斯杨(ThomasYoung)进行了著名的实验,展示了光在穿过小缝隙时如何发生衍射,就像众所周知的水波一样。光线会穿过狭缝,波浪会相互干扰,形成明亮和黑暗的条纹。而原子不能那样做。
  但是,什么是以太?19世纪所有伟大的物理学家,包括发现了美丽的电磁学理论的詹姆斯克拉克麦克斯韦在内,都相信以太就在那里,即使它让我们望而却步。毕竟,没有像样的波可以在真空中传播。但是这种空间介质很奇怪,它是完全透明的,所以我们可以看到遥远的星星。它没有质量,因此不会产生摩擦并干扰行星轨道。然而它非常坚硬,以允许超快光波的传播。很神奇,对吧?麦克斯韦已经证明,如果电荷上下振荡,就会产生电磁波。这是捆绑在一起的电场和磁场,当它们穿过太空时,一个引导另一个。更令人惊奇的是,这种电磁波会以每秒300000公里的光速传播。
  麦克斯韦得出结论,光是一种电磁波。两个连续波峰之间的距离是一个波长。红光的波长比紫光长。但任何颜色在虚空中的速度总是相同的。为什么大约是每秒300000公里?没人知道。光速是自然常数之一,我们测量的数字描述了事物的行为方式。
  像波浪一样稳定,像子弹一样坚硬
  一场危机始于1887年,当时阿尔伯特迈克尔逊和爱德华莫利进行了一项实验来证明以太的存在。但他们无法证明一件事,那就是他们的实验未能证明光在以太中传播。理论物理学家想出了奇怪的想法,他们认为实验失败是因为仪器在运动的方向上收缩了。任何事情都比接受光实际上可以在真空中传播要好。
  然后是阿尔伯特爱因斯坦。1905年,这位天才在26岁时就已经写了两篇论文,也彻底改变了我们想象光和现实世界的方式。让我们从第二篇论文开始,即关于狭义相对论。
  爱因斯坦表明,如果将光速视为自然界中最快的速度,并假设即使光源在移动,该速度也始终相同,那么两个观察者相对于彼此以恒定速度运动,并使在比较结果时,观察需要更正他们的距离和时间测量值。因此,如果一个人在行驶的火车上而另一个人站在车站,他们对同一现象进行测量的时间间隔就会不同。爱因斯坦为两人提供了一种比较他们结果的方法,使他们能够相互一致。校正表明光可以而且应该在真空中传播。
  爱因斯坦的另一篇论文解释了所谓的光电效应,这种效应在19世纪在实验室中被测量到,但仍然是一个完全的谜。如果光照射到金属板上会发生什么?这取决于光线。不在于它有多亮,而在于它的颜色或者更恰当地说,它的波长。黄灯或红灯不起作用。但是用蓝光或紫光照射盘子,盘子就会带上电荷。(因此称为光电。)光如何使一块金属带电?麦克斯韦光的波动理论,在很多事情上都很擅长,无法解释这一点。
  年轻的爱因斯坦大胆而富有远见,提出了一个离谱的想法:即光可以是一种波浪,也可以由颗粒组成。根据情况或实验类型,一种或另一种描述占上风。对于光电效应,我们可以想象光的小子弹击中金属板上的电子并将它们踢出,就像台球从桌子上飞出去一样。失去电子后,金属现在拥有多余的正电荷。就这么简单。爱因斯坦甚至为飞行电子的能量提供了一个公式,并将其等同于入射光弹或光子的能量。光子的能量为EhcL,其中c是光速,L是光的波长,h是普朗克常数。该公式告诉我们,更短的波长意味着更多的能量对光子的冲击更大。
  爱因斯坦因这个想法获得了诺贝尔奖。他从本质上提出了我们现在所说的光的波粒二象性,表明光既可以是粒子又可以是波,并且会根据情况以不同方式表现出来。光子即我们的光弹是光的量子,可能是最小的光包。因此,爱因斯坦将量子物理学引入光理论,表明这两种行为都是可能的。
  结论
  光既是粒子又是波,是宇宙中速度最快的东西。它以我们无法完全理解的方式承载着现实的秘密。但是比起光的悖论,理解它的二元性对于我们困惑的头脑来说是重要的一步。
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