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解構自然 第八集 波粒二象性

2018-07-15 08:50  來源: 新華網
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解構自然 第八集 波粒二象性

那一年,英國科學家艾薩克·牛頓做了這個關于光的色散的實驗。牛頓認為,整個世界都是由微小的微粒構成的,而光也不例外。白光被色散的過程,實際上是混合在一起的不同顏色的光粒子被區分、打散的過程。

但是對于這一點,處于同一時代的其他科學家卻有著不同的想法。

因為1655年,意大利數學家弗朗西斯科·格裏馬第教授發現了一個現象,把一根小棍子放進光束中,會出現這樣類似于水波的條紋。那麼光就是一種波,而這種現象也被格裏馬第稱為光的衍射。

對此,英國物理學家羅伯特·胡克結合了肥皂泡表面的色彩,對這一説法表示支持。而這些理論最後被荷蘭科學家克裏斯蒂安·惠更斯進行整理,為光是一種波提供了較為完整的理論。光是一種靠載體來傳播的縱波,而並不是一種粒子。如果是粒子的話,那麼在兩束光交叉的時候,必然會存在一定幾率發生碰撞,使得一部分光偏離原有路線,但事實卻不是這樣。

回到牛頓這邊,他曾經就這一問題與惠更斯曾進行過深刻的交流,所以在接下來的研究中,也逐步完善著光是粒子這一理論。在1704年牛頓的《光學》一書發表之後,他指出了光是波這一説法的嚴重問題。如果光是一種波的話,那麼類似于聲音,光是可以繞過障礙物的,就不會産生陰影

但是這個時候,由于胡克和惠更斯已經去世,所以直到19實際初,波動學説才有了新的發展。

英國物理學家托馬斯·楊進行了一個實驗,讓一束光通過兩個狹縫打在墻上,出現了這樣的條紋。這説明光是可以互相幹涉的,從而再次證明了光是一種波,而後又證明了光是一種橫波。

要知道在這之前,科學界普遍都是牛頓的支持者,認為光是粒子的居多。所以看到波動説終于有了新成果之後,法國科學院決定再讓這兩大派係爭論一下,便于1817年,懸賞徵集一篇關于用精確的實驗確定光的衍射效應,並通過數學確定其通過物體時細節的論文。在法國科學家弗朗西斯·阿拉戈和安德烈·安培的鼓勵下,法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾提交了他的實驗成果。

但是,這一成果卻被評審組的西莫尼·泊松提出了反對。他認為,如果根據這篇文章的計算,那麼在光源附近放置一個不透明的圓形障礙物的話,會有一部分光繞開障礙物,並在障礙物的影子中間留下一個亮斑。這根本就是不可能的,所以整個波動學説都是一個錯誤。

不過菲涅爾和阿拉戈倒是對這個説法挺好奇,然後就做了一個實驗,然後就像大家看到的一樣,影子的正中央確實出現了一個亮點。而為了紀念這個實驗的方法提供者,這個亮點便被稱為了泊松亮斑。

到此為止,光的波動説與粒子説依然處于平分秋色的狀態,可能只有新的證據才能夠再次打破僵局。這個時候,正如化學上伏打電堆的發明帶來了物理電學的發展一樣,往往一個學科的新發現會給另一個學科的發展帶來轉機。1865年,英國科學家詹姆斯·麥克斯韋考慮到一個問題。電生磁,磁生電,那麼這個過程一直持續下去的話,必定會出現一種波。就把它叫做電磁波好了。然後麥克斯韋順手算了一下如果這列波真的存在那麼他的傳播速度是多少,結果發現,電磁波與光的傳播速度基本一致。那麼,光會不會就是電磁波呢?

這個問題在約三十年後得到了驗證,而驗證者則是德國科學家赫爾曼·赫茲,所以,光是電磁波這一問題也似乎塵埃落定了。

不過故事還沒完,因為在光是電磁波這一事實被驗證之前,赫茲還做了一個實驗,發現了一個光照在某些物質上其內部會産生電流的現象,而且這一現象卻不能用波動説,只能用粒子説解釋。如果按照波動説,光帶來的能量是連續的,那麼只要對一個物質照射的時間夠長都可以産生電,但事實上,物質內部能否産生卻只和光的顏色有關,如果顏色對那再弱的光都能打出電子,也就是説光帶來的能量只能是一份一份的才能符合這個現象,所以光還是粒子。

那麼這個問題難道就沒有定論了麼?事情的轉機來自于阿爾伯特·愛因斯坦。結合了前面的所有過程以及同一時期某個新理論的誕生,愛因斯坦提出了一個新的理論,光即是波,又是粒子。光是電磁波這一點已經被證實了,但是電磁波需要一個承載者,一個電磁相互作用的媒介,而這個媒介,就是光子。因此在連續時間下,光是一列波,但是在瞬時時間下,光則是一份一份的粒子。也就是説光即具有波的性質,又具有粒子的性質。而這種性質,則被稱為光的波粒二象性。

這也是近代物理學中發現的,光最重要的性質。而在這個過程中,最值得敬佩的,還是這幾百年間人們對于真理孜孜不倦的追求。因為科學沒有輸贏,只有對錯。

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作者: 科學原理一點通   [責任編輯: 魏承瑤]

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