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光究竟是什么?科学家关于光本质的百年探索

导读: 光的本质问题当然曾经在数百年里难倒了世界上最伟大的一些物理学家,但在过去的150年间,科学界在对光的本质研究方面取得了一系列的突破性进展,向世人揭示了光的神秘本质。

  德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家埃利弗舍瑞奥斯-古尔利马基斯(Eleftherios Goulielmakis)表示,很多动物能够看到紫外光,甚至有一部分人也可以。而在某些特定的情况下,人眼甚至能够察觉红外光。这可能也体现在了我们的语言习惯中:你会发现,在英语中我们将红外光(infrared light)和紫外光(ultraviolet light)称为“光”(light),但对于那些波长比红外光更长,或是比紫外光更短的电磁波,我们就不再将它们以“光”来命名了。比如波长比紫外光更短的是X射线(X-ray)和伽马射线(gamma ray)。古尔利马基斯举例说:“一位医生会说,我要用‘X-ray’(X射线)照射目标,他不会说我要用‘X-ray light’(X射线光)”。但相比之下,在中文语境中这种倾向似乎并不明显,比如我们会很自然的说红外线,紫外线,还有去医院拍X光。

  在另一端,电磁波的波长也可以远远超出红外波段,其波长达到1厘米甚至是数千公里。这样的电磁波拥有一些我们非常熟悉的名字:微波和无线电波。当然,对于普通的民众来说,他们收听广播电台的无线电波竟然和光本质上是同一类东西,这一事实会让他们觉得难以理解。

  古尔利马基斯表示:“从物理学的角度来看,无线电波和可见光之间并没有什么区别。描述它们的方程式和数学方式是完全一样的。”事实上,正是因为我们的日常语言中给予了它们不同的名字,才造成似乎两者是有差异的这种错觉。

  牛顿注意到,光在镜面间遵循严格的入射和反射路径,他意识到这是粒子流的特点

  光的双缝实验以及得到的明暗干涉条纹。这一著名实验证明光具有波的性质

  这样,我们对于光就有了另外一种定义——它是电磁波中非常窄的一个波段范围,也就是我们人眼能够感知到的电磁波波段范围。换句话说,我们所谓的“光”其实是一个非常主观的概念:只有我们看得到的电磁波才是光,我们看不到的就不是。而要想知道我们对于光的概念是多么主观,让我们再次回到彩虹的话题,

  我们中的大多数人都知道彩虹有7种主要颜色,即所谓赤橙黄绿青蓝紫,在不同文化中,我们都创造出一些小口诀甚至歌曲来帮助我们记住这些颜色。当你观察清晰呈现的彩虹,你或许会让自己确信,的确存在这样的七种不同颜色。然而,当年的牛顿却发现自己难以看到全部这7种颜色。

  事实上,研究人员现在倾向于认为,之所以牛顿将光线分成了7种不同的颜色,仅仅是因为“7”这个数字在西方文化中占有特殊地位,如七声音阶,以及一周内的天数。而麦克斯韦的工作则带领我们完全超越了这一高度,证明了可见光只是更宽广尺度上电磁波的一部分。这基本上可以说是最终解答了光的本质问题。

  通过狭缝之后,原本平行的光线变成类似水波的形态

  是粒子还是波?

  但在另一个方面,科学家们数百年来也一直致力于想要弄清楚,从最基础的层面上,光究竟是以何种方式存在并传播的?

  一部分科学家认为光的形式有点类似波或水里的波纹,它可能是借助空气或是另一种难以捉摸的神秘物质“以太”来进行传播的。但另外一些科学家则认为这种看法是错误的,他们指出,光应当是一束粒子流。

  牛顿更倾向于第二种理论,即光的粒子说,尤其是在他使用光和镜子进行了一系列的相关实验之后,牛顿更加坚信光是粒子流的理论正确性。

  牛顿在实验中注意到,光的传播遵循严格的几何法则。如果你正对一面镜子并射出一束光,它一定会原路反射回来,这跟你射出一个小球击中镜子之后反弹回来是完全一致的。牛顿认为如果光是波,不应当会具备这种粒子的特性。据此,牛顿推断光必定是由某种非常微小的,没有质量的粒子所组成的。

  但这一理论存在一个严重的问题,那就是同样有实验证据,证明光具有波的特性。其中最著名的一项实验是在1801年进行的。英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)开展了他著名的“双缝实验”,这个实验在物理学上占据极其重要的地位,并且实验的原理非常简单,每个人在家里都可以自己进行。

  具体的过程是这样的:你需要一张厚纸板,随后非常小心地在它上面划出两道细缝。随后准备一个“纯粹”的光源,也就是只会产生特定波长光线的光源,激光则是最理想的。然后将光源对准纸板上的这两道狭缝,并使其在狭缝后的另一个表面上成像。

  在置于狭缝纸板背后的另一个平面上,你心里的预期应该是会看到两道明亮的光带,因为来自光源的光线会分别穿过两道狭缝并投射到后方的平面上。然而,托马斯·杨发现,情况似乎有点诡异,他看到的并非两道细细的光带,而是一系列明暗相间的条纹,就像一条超市用的条形码。

  当光线通过狭缝时,其表现出来的行为与水波穿过狭窄开口时表现出的性质基本一致:它会发生衍射并形成半球状传播的波。

  而在双缝实验中,当“光波”穿过两道狭缝并彼此相遇,且波峰面对对方的波谷时,它们相互抵消,形成暗带;而当波峰与波峰相遇时,它们相互叠加,从而形成亮带,于是,明暗相间的“条形码”条纹便出现了。

  托马斯·杨的理论无可争议地证明了光波理论的正确性,在加上麦克斯韦的工作已经在数学上为光是一种波的理论奠定了坚实的数学基础,于是科学家们大舒了一口气:终于尘埃落定了,光是一种波!

  白炽灯泡利用能够产生电磁辐射的材料制成。光是一种电磁辐射

  棱棱镜将光线分解为不同波长的色光

  光是粒子

  但噩梦还没结束,量子革命开始了!

  在19世纪下半页,物理学家们想要弄清楚一个问题,那就是为何在吸收和辐射电磁波方面,某些材料的性能要比其他材料更好。尽管现在看来这似乎也没有什么,但由于在当时电灯产业正刚刚起步,因此任何能够辐射光的材料都是被重点关注的对象。

  到了19世纪末,科学家们已经意识到,一个物体辐射出电磁波的多少取决于它自身的温度,不同的温度会产生不同量的辐射。科学家们已经注意到这种关联,但没有人能够回答为何会是这样。

  1900年,德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)解决了这个问题。他发现,通过计算可以解决这一问题,但前提是必须将电磁辐射视作是单独的“小份”构成的。普朗克将这种“小份”称作“量子”。数年后,爱因斯坦给予这一思想,再次成功地为另外一个棘手的实验现象给出解释。

  透过云层看到的阳光

光让我们能够感受身边的世界

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