光奇特的属性——波粒二象性

  上大学的学物理和化学时就第一次接触到光的波粒二象性,当时压根没搞懂光到底是什么,是波呢还是粒子呢?如果光是波,那么它为什么具有粒子的属性呢?如果光是粒子,那么它为什么具有波的属性呢?时至今日,也没科学家能给出结论光到底是什么。

  近现代对光的研究要追溯到笛卡尔的时代,当时人们在对物理光学的研究过程中,光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题,笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以以太为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用,但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。

  十七世纪中期,物理光学有了进一步的发展。1655年,意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时,首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第第一个提出了光的衍射这一概念,是光的波动学说最早的倡导者。

  1672年,牛顿总结了他做的光的色散实验:让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上,在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为光是由很多种不同颜色的粒子组成的,通过色散试验后就把他们分离开来,由此证明光是粒子。但是1672年2月6日,以胡克为主席,由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度,至此牛顿大神和胡可大神这对冤家算是杠上了。

  波动说的另外一个支持者惠更斯认为,光是一种机械波;光波是一种靠物质载体来传播的纵向波,传播它的物质载体是以太;波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论,惠更斯证明了光的反射定律和折射定律,也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的牛顿环实验。但是因为在19世纪中以前,牛顿在物理界的地位实在太高了,微粒说占据了主导地位。

  直到杨氏双缝干涉实验的出现,一束光源经过两条很细小的缝隙后,在双缝后面放置一块光屏,在光屏上就会出现干涉条纹,干涉条纹是波特有的性质,由此强有力的证明了光是一种波。托马斯·杨完成的双缝实验显示出,衍射光波遵守叠加原理,这是牛顿的光微粒说无法预测的一种波动行为。这实验确切地证实了光的波动性质。

  19世纪前波动说再次占据了主导地位,但是在19世纪有四大经典物理不能解决的问题:氢原子光谱、黑体辐射、光电效应和原子稳定性问题。量子力学创始人普朗克破天荒的使用了量子论来解决了黑体辐射问题,紧接着爱因斯坦根据普朗克的量子论引入了光量子这一个概念,从而解决了光电效应问题,两人都因此获得了诺贝尔奖。他们两人主要引入了量子化的概念,他们认为光和能量不是连续的(波是连续的),而是一份一份的(粒子的属性),这时候光的粒子性就表现出来了,光是粒子又慢慢开始占了上风。

  其中杨氏双缝干涉实验的衍生版本是最有趣的,其中有一个是这样做的:在杨氏双缝干涉实验的基础上,我们安装电子记录器去跟踪电子从发射后的路径,我们最后会发现光的波动性就不存在了,在光屏看到的是两条亮纹;但是当我们没有安装电子记录器去跟踪电子的路径时,在光屏后看到的是亮暗相间的干涉条纹。简单点说你去跟踪电子路径,那电子就是粒子,没干涉条纹;当你不跟踪电子路径时,那她就是波,因此光既不是粒子也不是波,但是它具有波和粒子的双重对立的属性,很无奈,但是只能这么解释。

  我的主页有双缝干涉实验的视频,图文比较难理解,可以去观看视频。如果你喜欢物理学可以关注小。

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