超能课堂(195):“光”究竟是个什么样的东西? - 超能网 亚博娱乐官网,亚博app官网,亚博优惠申请
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打我们襁褓中睁开双眼感受这个光明的世界开始,我们就再也离不开“光”这个神奇的东西。它真的很神奇,它既不是固体、液体,也不是气体,既不能捧之把玩,也不能食之果腹,古往今来,人们对“光”更是一种莫名的敬仰,如光荣、光明、风光、春光……等等一大波类似的词语都是对人或物的极尽赞扬。而玩家们对于计算机性能的追求,不也可看作是一个追光的过程吗?

对于绝大多数人来说,对于光的认识应该是非常非常贫乏的,比如晒太阳为什么觉得热?光如何引起我们的视觉?为什么光有各种颜色?光是物质吗?等这些问题能答上来应该没几个,其实,光的本性困扰着古往今来的所有物理学家,科学家们对光的认识也是历经曲折。

科学家们对光的认识:粒子还是波?

关于光的第一个系统的理论是惠更斯1690年的《光论》,惠更斯认为光是一种光源发出的机械波。不久之后,牛顿在1704年发表《光学》提出一个截然不同的理论,此时距离他提出万有引力定律、建立整个经典力学已经足足过去17年。牛顿力学仍是今天大部分物理学的基础,但牛顿的光学体系早就已经支离破碎,可见对光的认识有多么困难。牛顿认为光是从光源发出的高速直线运动的弹性微粒流,这些粒子就像小弹珠一样,不同的弹珠有不同的颜色,它们携带能量,所以不断照射可以生热。


牛顿与惠更斯的粒波之争

不过牛顿的理论几乎没有任何证据,他最有力的证据是他是英国皇家科学院院长。但是科学从不迷信权威,后来的实验发现了光具有和水波非常相似的性质,惠更斯的波动说风靡一时。然而,牛顿毕竟还是牛顿,他提出的微粒说沉寂了201年后,在1905年又被爱因斯坦拿出来成功解释了光电效应,并因此获得诺贝尔物理学奖。没错,爱因斯坦不是因为相对论,而是因为光的微粒说获得诺贝尔物理学奖!牛顿的棺材板是不是要压不住了?两百年前我就说过的东西,你们还搞不懂。

IMG_256

概括起来,人们对光的认识经历了几个这样几个阶段:

1. 惠更斯和牛顿相继提出两种理论,都没有足够的证据,由于牛顿是院长,微粒说占据主流;(牛顿发现的三棱镜色散现象,证明了白光由七种单色光组成,用这两种理论都解释得通。)


色散的微粒解释


色散的波动解释

2. 直到1801年一个叫杨的人做了一个实验,证明了光是一种波,波动说又占据上风;(这是后面重点要讲的)

3. 1864年麦克斯韦方程组横空出世,预言了光是一种电磁波,虽然不同于惠更斯所说的机械波,但波动说的地位更加难以动摇;


电磁波

4. 1887年赫兹发现了光电效应,但无法用波动说解释,1905年爱因斯坦又提出光子说,用量子的观点解释了光电效应;(光电效应:用光照一块金属板,金属板中的电子会被打出来,这种电子称为光电子。下图金属板连在验电器上,就可以检测出跑出来的电子的数量。)


光电效应

5. 1923年德布罗意提出物质波,认为所有物质都对应着一种波,标志着“波粒二象性”概念的建立,光既是粒子也是波。

探索光的本质

接下来我们就随着历史上物理学家的步伐,探索一下光是什么。

要想深入了解光的本质,先要弄清楚波到底是个什么玩意。生活中我们经常会看到波,比如水波、甩动绳子的一股股波,像这样:


水波


绳子中的波

这些波都是机械波,它们在介质中传播,比如水要依赖一个个水分子来传递这种振荡,绳子的每个质点扯动它附近的绳子以传播波;最开始光的波动说也认为光是一种机械波,在“以太”中传播,而麦克斯韦预言光是一种电磁波,是电场和磁场的交替变化在传播,不需要介质,可以在真空中传播。1887年迈克尔逊和莫雷证明了宇宙中不存在“以太”这种东西,证实了麦克斯韦的预言(没错,也就是在这一年,光电效应被发现,波动说无法解释)。

但无论是机械波还是电磁波,既然都叫做波,必然有一种共性,那就是波的本质——干涉叠加。想象绳子中有两列传播方向相反的波,就会是这样:


波的叠加

红色和蓝色代表两列单独的波,把它们的幅度代数相加,黑色则是绳子实际的振动情况。这样两列或多列独立的波在空间上相遇时产生的叠加,我们就叫干涉。

在介绍那个叫杨的人的实验之前,还要了解波的另一个特性,就是衍射。衍射就是波绕过障碍物继续传播的现象。生活中最常见的就是水波的衍射,水波经过一个缝之后,就会是这个样子:


宽缝衍射


狭缝衍射

缝的宽度越窄,衍射作用就越明显。

是不是平时如果窗户开了一条很小的缝就会很吵,把窗户关死就立刻安静下来了?这完全是因为声波衍射的结果。声波的波长一般在零点几米到十几米左右,门缝的宽度就算一厘米,相比波长是非常小了,所以衍射效果很明显。我们的收音机、手机信号也都需要通过衍射来传到我们手机,如果你在一个密闭或者偏僻的角落信号就会很差了。

地波衍射

但是,光的波长在几百纳米,波长非常小,所以门缝什么的对它来说都太宽了,所以我们一般说光沿直线传播,就是认为它没有衍射作用。1801年,托马斯·杨巧妙设计了一个实验,让一束相干光经过两个很小很小的狭缝,如果光是波,就应该会像水波一样干涉:


水波干涉

而如果光是粒子,则应该会像子弹枪一样(一个子弹枪扫射,如果只开1孔,墙上的子弹分布应该会像P1一样,2孔亦然,如果两个孔都打开,毫无疑问墙上的子弹分布就是P=P1+P2):

事实是,光像水波一样。杨氏双缝干涉的结果是这样的:


杨氏双缝干涉

光通过双缝后没有照亮整个屏幕,而是出现明暗相间的条纹。这充分说明了光是波,而不是粒子!托马斯·杨说:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”几十年后,麦克斯韦的方程组告诉我们,光是一种电磁波,它是由于变化的电场和变化的磁场相互激发以在真空中传播,彻底解释了光的波动性的物理基础。

看起来,光是一种波已经无可争议了。但很快风云突变,赫兹的光电效应无法用麦克斯韦的方程解释。光电效应的诡异现象在于:如果增大入射光的强度,跑出来的光电子的速度并不会增大,仅仅是数目变多,看起来,每个电子都有自己的配额,注入能量越多,获益的电子越多,但每个电子不会获得更多的能量。波动说无法解释这一现象,物理学再次陷入了困境。

1905年的爱因斯坦,26岁(孩子都两岁大了),连发5篇论文,3月份用一篇论文解决光电效应并因此或诺奖,4月份用另一篇论文取得博士学位,5月一篇论文创立狭义相对论。开了挂吧?光电效应的解释是,光是一种粒子(光子),每个光子都具有一个特定的能量值,这个值只和这个光子的频率有关(光子哪来频率??其实是说的这个光子对应的电磁波的频率,这就为日后的波粒二象性埋下了伏笔)。

光电效应中每个电子只吸收一个光子,所以当增大光强时实际上是增加了光里面的光子数目,所以被打出来的光电子就变多了,但每个光电子获得的能量还是一样的,速度不会增加;如果改变入射光的频率,相当于改变了每个光子的能量,频率越高光子能量越大,如果光子的能量太小(频率低于那个阈值),就不能激发光电子,光电效应就没有了,这也符合实验现象。所以我们平时看到的火焰,蓝色的光子频率高,温度也就高,红色黄色的就不行了,烧菜都要用蓝色外焰烧哦~

看起来,波动说和粒子说公说公有理婆说婆有理,有时候粒子说解决不了的问题就用波动说解释,波动说解释不了的粒子说凑数。还可以这样的吗?

20世纪以前的物理学家,有研究力学的、热学的、电学的、光学的,而20世纪的物理学家,全部都是研究量子力学的。1927年第五次索维尔会议合影(下图),相信很多童鞋都知道这是最天才的一张照片,29人中有17人获得诺贝尔物理学奖(当然,居里夫人还获得了化学奖)。索维尔会议,就是召集全天下最聪明的科学家来讨论量子力学,因为没有一个人能搞明白量子力学。


1927年索维尔会议,科学界的超豪华阵容

量子力学的产生,就从1900年普朗克提出量子假说、1905年爱因斯坦引入光子开始。1923年德布罗意说:任何一个物体都对应一种波,每个物体都有波粒二象性。我们先来看看1961年的电子干涉实验,这个实验被《Physics  World》评为物理学史上最美的实验。它美就美在用电子做出了跟杨氏干涉完全一样的结果(像之前的子弹枪一样,这次用电子枪扫射):


电子干涉

这说明,电子也像光一样,可以表现出跟乒乓球不一样、而跟水波一样的干涉叠加的性质。这证明了德布罗意的说法,我们有理由因此相信任何物体都具有波动性。什么?那子弹枪那个实验为什么没有波动性?实际上,根据德布罗意给出的计算公式,对于子弹来说,波长是如此之短,以至于干涉图案变得非常细密,细密到人们用任何探测器都无法分辨,我们所看到的子弹的分布只是干涉的一种平均(下图右)。

各位童鞋一定承认我说得好像很有道理,但还是不太相信,所有物质都对应一种波?啥意思?德布罗意自己也搞不清楚。1926年马克思·玻恩提出统计诠释,认为这种波是一种概率波,即粒子出现在空间某一位置的概率,所以大量电子或光子可以体现出波动性,他们出现在不同位置的概率有的位置大有的位置小,就表现出了干涉的图样。

后来,人们可以控制光子一个一个地发射,每个光子通过双缝后,都会打在接受屏的某一个位置,这是妥妥的粒子性。但每次同样地发出一个光子,光子最终到达的位置是不一样的,如果一个一个发射很多很多的光子,他们就会按照概率的统计分布在屏幕上,形成干涉图样(单光子干涉)。少量光子往往体现粒子性,而大量光子则体现波动性。

光是物质,它携带有能量,是波也是粒子

等等等等生活中的光学现象,只要从粒子性和波动性两个角度考虑一下,没有什么解释不了的呢。故事也听了,知识也学了,自己能说清光是什么了吗?来来来,划重点,1801年的杨氏干涉说明光是波,1905年爱因斯坦光电效应说明光是光子,1961年电子干涉实验证明一切物质都既是波也是粒子,叫做波粒二象性。

现在明白光是什么了吧?现在想想开头提出的问题。为什么晒太阳会热?因为光子携带能量,也因为电磁波传输能量。光如何引起我们的视觉?因为有光子打在我们的视网膜上,也因为电磁场的振荡引起视神经的反应。光为什么有各种颜色?因为不同频率的光子携带的能量不一样,电磁场的振荡速度也不一样,引起视神经不同的感觉。光是物质吗?是的,光具有能量和动量,当它照在靶上时会产生压力,称为光压,小编将来的研究方向就是光压驱动其它粒子加速哦。

  • 游客 10-14 14:43

    游客:

    光最神奇的光速不变原理没说,光相对任何观察者都以光速运动,这宇宙最基本的未解之迷之一 ...
    08-16 01:09
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  • 回复: 光最神奇的光速不变原理没说,光相对任何观察者都以光速运动,这宇宙最基本的未解之迷 ...

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    58#

  • 游客 08-29 11:36

    参加索维尔会议的都有个特点,额头都长得几乎一样

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    57#

  • xfkudyrjug1992博士 08-17 14:06

    游客:

    你确定能看懂?你确定你想看懂的话去看一下波函数公式?再去自己推到一下计算过程? ...
    08-16 17:30 已有11次举报
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  • 阁下难道是薛定谔转世?

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    56#

  • fl23fei博士 08-17 13:34

    QQ23870862 终极杀人王 :

    08-17 11:15 已有2次举报
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  • 光头

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    55#

  • QQ23870862终极杀人王 08-17 11:15

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    54#

  • fl23fei博士 08-17 11:04

    双缝干涉实验美的让人迷醉,延迟选择和不确定性理论真真能让人重新认识世界.

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    53#

  • nshijin研究生 08-16 23:01

    “不过牛顿的理论几乎没有任何证据,他最有力的证据是他是英国皇家科学院院长。”“有时候粒子说解决不了的问题就用波动说解释,波动说解释不了的粒子说凑数。”作者好逗啊

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    52#

  • 游客 08-16 21:54

    狐狸大仙 初中生 :

    球状闪电?
    08-16 10:16
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  • 利用质子的放射性具有bragg峰的特点

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    51#

  • 游客 08-16 17:30

    一拳打倒老司机 高中生 :

    好评!超能以后这种文章要多发呀。通俗易懂
    08-15 19:20
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  • 你确定能看懂?你确定你想看懂的话去看一下波函数公式?再去自己推到一下计算过程? ...

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    50#

  • 游客 08-16 17:06

    别没文章就瞎jb科普

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    49#

  • 游客 08-16 12:11

    粒子说解决不了就用波动说,波动说解释不了就用粒子说……

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    47#

  • 游客 08-16 11:22

    这么长我居然看完了,但是除了已知的波粒二象性都没看懂,甚至为啥是波粒二象性都没懂,以前没懂 ...

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    46#

  • 梓洋编辑 08-16 11:09

    游客:

    光最神奇的光速不变原理没说,光相对任何观察者都以光速运动,这宇宙最基本的未解之迷之一 ...
    08-16 01:09
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  • 本文主要讲光的本质波粒二象性,限于篇幅和能力,肯定会挂一漏万的,见谅见谅。

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    45#

  • 狐狸大仙初中生 08-16 10:16

    yl0002 研究生 :

    我是外行。文章我都没看明白。百度了一下作者的研究方向。发现只有质子刀有实用性进展。所以上来跟小编调侃一下老黄。这种文章可以引发大家讨论。说明超能网的水友都比较喜欢高科技。各位编辑加油。ps:(质子刀治疗癌症最大的好处是可以精确的只去除癌细胞,保留其它细胞。只要计算好质子携带的能量,它可以穿透人体组织,并且不损失能量,精准命中并消灭癌细胞,保留其它细胞。)
    08-16 02:35
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  • 球状闪电?

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    44#

  • cnbeta博士 08-16 09:19

    拾人牙慧 研究生 :

    仔细想一想,还是要赞小编一个。
    一开始觉得平平无奇,是因为觉得跟之前大学选过的选修通识课,和一些科普公众号比起来,并没有什么过于出彩的地方。
    但是看到了大家的评论都说好,我觉得作为一个并非专业物理科普网站的编辑,能写的跟教授讲课和专业科普作者差不多水平,已经是非常厉害了,大家也学到了很多,乐于去看。给小编赞一个。这样文章完全可以更多,毕竟是科技生活第一站嘛,必须有科技
    08-15 23:56 已有1次举报
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  • 看看现在谣言横行的状况,应该就能猜到,多少人是把初高中的数理化都忘光了。

    考试的时候未必记得多少,考完就全丢光了。

    九年义务教育,别说能把这些东西用起来,多少人连接受科普这一步都没完成。

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    43#

  • 拔刀斋研究生 08-16 09:08

    可以说是超能网最不超能,但也最超能的文章了,受益匪浅

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    42#

  • Elwin教授 08-16 08:26

    游客:

    那个,恐怕我是个假高中毕业生,这些我都没听过,,,
    08-15 19:03 已有1次举报
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  • 高中当然有,我还记得清清楚楚。当时正文是说光的二相性,小字说了光波和光子的实验,只是为了灌输,没有说事情的来龙去脉,真是惜字如金

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    41#

  • heqi教授 08-16 08:17

    光就是雷蛇

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    40#

  • yl0002研究生 08-16 02:35

    thesea 管理员 :

    你是行家呀,我们这位作者的研究方向正是质子刀治疗癌症的方向。
    08-15 23:22
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  • 我是外行。文章我都没看明白。百度了一下作者的研究方向。发现只有质子刀有实用性进展。所以上来跟小编调侃一下老黄。这种文章可以引发大家讨论。说明超能网的水友都比较喜欢高科技。各位编辑加油。ps:(质子刀治疗癌症最大的好处是可以精确的只去除癌细胞,保留其它细胞。只要计算好质子携带的能量,它可以穿透人体组织,并且不损失能量,精准命中并消灭癌细胞,保留其它细胞。)

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    39#

  • 游客 08-16 01:34

    严重偏题了

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    38#

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