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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。

  此前物理学家们注意到,用可见光或紫外光照射一块金属板,金属板会带上正电荷,他们将这种现象称作“光电效应”,但对于究竟为何会出现这种现象,物理学家们都感到困惑不已。

  爱因斯坦指出,这一现象背后的本质是金属板中的原子在这一过程中失去了带负电的电子。很显然,照射金属板的光为这些金属原子带来的足够的能量,让其中的一部分电子能够挣脱原子结构的束缚。

  然而,如果更加仔细地审视这些电子的行为,就会发现一些诡异的现象。科学家们发现,只需要改变照射光的颜色,我们就能轻松改变光携带的能量大小。尤其是,科学家们注意到,相比接受红光照射的金属板,接受紫光照射下的金属板释放出来的电子拥有更高的能量。既然如此,那么如果光仅仅是一种简单的波就难以解释了。

  一般来说,要想让某种波的能量更强,你需要使它变得“更高”——想象一下海啸冲向陆地时的画面——而不是让波本身变得更长或是更短。由此推断,要想让照射金属板的光能够为金属板释放出的电子传递更多的能量,那就应当让光这种波更“高”,简单来说就是,增加光照的强度。而改变光的波长,也就是颜色,不应该会产生什么改变才对。

 神秘的纠缠粒子。成对的纠缠粒子之间,任一成员粒子的状态发生改变都会立即引起另一个粒子的相应变化,这种影响不受时间与距离限制

透过云层的光:它究竟是波还是粒子?

  在这一令人困惑的现象面前,爱因斯坦意识到,使用普朗克提出的光的“量子化”思想,能够很好地解决这一问题。爱因斯坦提出,光是由许许多多微小的“能量单位”组成的。这种离散的能量单位与光的波长直接相关:波长越短,则其中的能量单位越密集。这样就能够解释为何波长较短的紫色光会比波长较长的红色光携带有更多的能量。

  它也可以解释为何单纯增加光照亮度并不会对金属板的电子释放产生什么影响——在更亮的光照条件下,光源的确会向金属板传输更多的“能量单位”,但并不会改变每一个“能量单位”内所包含的能量大小。通俗的说就是,单一一个紫色光“能量单位”能够为一个金属板中的电子传输更多的能量,而红色光的“能量单位”不管有多少数量,也达不到这样的目的。

  爱因斯坦将这些“能量单位”称为“光子”。现在,光子已经被物理学界作为一种基本粒子予以承认。可见光是由光子构成的,其余所有的电磁波,包括X射线,微波和无线电波也都是一样。换句话说,光是粒子。

  光的波粒二象性以及它的价值

  到了这个阶段,物理学家们决定结束这场关于光是波还是粒子的旷日持久的争执——这两种模型都拥有确凿的实验证据,因此无法否定其中的任何一种。让很多非物理学专业的人士感到困惑不已的是,物理学家们最终确认,实际上光辉同时表现出粒子与波的特性。换句话说,光具有波粒二象性。

  但对于物理学家们而言,他们倒并不觉得光的这种双重身份带来了什么不便。相反,这让光变得更加有用。今天,在当年的先驱者们——如麦克斯韦和爱因斯坦等建立的基础之上,科学家们正在进一步探寻利用光的这些特殊性质的途径。

  物理学家们逐渐意识到,尽管光的波动方程和粒子方程都能非常好的描述光的行为,但在某些特定的情况下,其中的一种描述方程会比另外一种更容易应用。因此物理学家们会根据不同情况在这两种描述方式之间进行选择切换,就像在生活中,同样是对长度的描述,但我们会用米来描述我们的身高,但会用公里来描述车的行程一样。

  一些物理学家正在尝试利用光来实现加密通讯,比如用于安全的资金转账等等。对于他们来说,在开发这些功能时是把光看作了粒子。

  这是由于量子物理学的另外一项奇异性质:两个基本粒子,如一对光子,其两者之间可以相互“纠缠”。这样的纠缠粒子之间存在一项令人惊异的性质:无论两者之间相距多远,它们之间都可以共享某些相同的性质,因此人们便可以利用这种性质来实现地球上不同两点之间的信息通讯。

  这种纠缠粒子的另外一项性质是,当对其进行观察时,将会改变纠缠粒子的量子态。因此,从理论上说,如果有任何人试图窥探使用了量子光学技术加密的信息时都将会立刻暴露。

  而另外一些物理学家则更加关注光在电子学领域的应用。对于他们来说,将光视作是可以被操控的电磁波将会更有意义。

  利用光的性质开发光学计算机,将大大提升未来计算机的性能

  2004年,科学家利用持续时间仅约250阿秒的光脉冲作为相机闪光源,成功拍摄到可见光的单个波形图像,从而首次捕捉到了光波在空间中运动的图像,这在以前是不敢想象的

  一种被称为“光场合成器”(light field synthesisers)的现代设备可以非常精确的方式实现光波之间的同步性。这样它就可以产生相比普通灯泡发出的光线强度更高,持续时间更短并且具备方向性的光波脉冲。

  在过去的15年间,这样的设备被广泛用于对光的控制。在2004年,埃利弗舍瑞奥斯-古尔利马基斯和同事们成功创造出极短的X射线脉冲,每个脉冲的持续时间仅有250阿秒,一阿秒相当于100亿亿分之一秒(10的负18次方秒)。

  使用这种极短的光脉冲作为相机闪光源,研究组成功拍摄到可见光的单个波形图像,后者的震荡周期要比这种脉冲持续时间长得多。他们几乎拍摄到了光波在空间中运动的图像。

  古尔利马基斯表示:“我们从麦克斯韦的时代起就已经知道,光是一种震荡的电磁场,但在此之前还没有人能够想到,有朝一日我们甚至可以直接拍摄到真实的光波影像。”

  能够看到单独的光波是迈向控制和利用光波传输信息的第一步。目前我们已经利用波长更长的电磁波实现了信息传输,如我们利用无线电波传输广播和电视信号。

  大约一个世纪以前,光电效应向世人证明了可见光会对一块金属板内的电子产生影响。古尔利马基斯表示,未来我们将有希望对这些电子实现精确操控,方法是利用受控的可见光波,以一种精确的方式作用于金属板。他说:“我们能够控制光波,通过它,我们还将能够控制物质。”

  这一前景一旦成为现实,电子行业将迎来一场新的革命,从而导致新一代光学计算机的诞生,这类计算机将比今天我们所使用的计算机体积更小,运算速度也更快。古尔利马基斯表示:“要制造那样的计算机将需要控制电子,使其按照我们预想的方式运动,并利用光波控制电流在固体中的流动,而不是传统的电路方式。”

  于是,我们对光又有了一种新的描述方式:光是一种工具。

  这样的想法其实并不新鲜。自从地球上最早的生命诞生以来,生命就一直依赖阳光而获得能量。人类的眼睛是光子探测器,我们借助可见光了解我们身边的世界。

  而现代技术只不过是让这个想法更向前进了一步。在2014年,诺贝尔化学奖授予了发明一种强大显微镜技术的研究人员,这种显微镜的能力强大到令人难以置信,甚至一度被认为在物理学上是不可能实现的。可以预见,随着技术的进步,光学还将带领我们目睹更多前所未见的奇景。

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