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2004年畢業(yè)于北京師范大學物理系，2009年在中國科學院物理所獲得理學博士學位，同年起在中國科學院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之:是粒子，還是波？都是傳說！
羅會仟
2010年10月27日| 作者：羅會仟 中國科學院物理研究所 |
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[選擇題]光是什么？ 選項：A. 光是粒子； B.光是波；C.光既是粒子也是波；D.光既不是粒子也不是波；E.以上答案均正確；F.樓上都在瞎掰；G.樓主是個傳說；……？ 給出答案分布：70后當年大部分選C，他們認為理解了光，早晨八九點鐘的太陽——前途有光；80后當年對前途是光明還是黑暗比較困惑，選C的有一半選D的也有一半，糾結??；90后呢，每個選項都有人選，并且在選項D后面加上了E項和F項，然后閱卷老師再加了個G項，閱卷領導加了個省略號和問號。標準答案是……，誰知道？！ 我們還是來看看歷史上的牛人怎么解答的吧！ 先看看咱們的墨家軍，中國的墨子和他的弟子們早在公元前400多年前就做了光的小孔成像實驗，并解釋了物體和投影的關系原理——光的直線傳播。喜歡討論的問題的古希臘人對光同樣充滿好奇，畢達哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發(fā)射的一種東西，遇到障礙物即被彈開，彈入人眼即讓人感覺到了最后一個將光彈開的障礙物。而后托勒密在《光學》一書描述了光的折射現象，達芬奇也描述過光的反射現象等并試圖做出解釋，而后開普勒及斯涅耳的實驗給出了光的折射定律的數據，只是，他們并沒有發(fā)表。直到數學家笛卡爾在《屈光學》提出了光的折射定律的數學幾何形式表達，他同時留下了對光的兩種可能解釋。一是說光是類似于微粒的物質；二是說光是一種以“以太”為媒質的壓力，即可能是波。光究竟是什么？成了遺留給后人的問題。 光可能是波，意大利數學家格里馬蒂如是說。他讓一束光穿過兩個小孔并投影到暗室屏幕上，結果在發(fā)現在投影屏幕上有明暗相間的條紋。這和水波的衍射非常相似，說明了光的波動性。他還認為物體之所以顯現不同顏色是因為有著不同頻率的光。
光怎么會是波，明明是粒子嘛，英國物理學家牛頓如是說。1666年牛頓在家休假躲避黑死病，沒事玩起了三棱鏡，他發(fā)現一束白光可以分成不同顏色的光，而不同的單色光也可以合成還原成白光，為此他成功解釋的光的色散現象。（見[水煮物理](12)：好“色”之徒）牛頓的分光實驗讓光學從幾何光學跨入到了物理光學。牛頓認為光應該是由微粒組成，并且走最快速直線路徑，光的分解和合成就是不同顏色的微粒分開和混合的結果。
棱鏡分光與光的顏色 于是解答這個問題伊始就有了兩大門派——“波動說”和“微粒說”。其實牛頓在開始時并不特別反對波動說，但“微粒說”對胡克等前人的“波動說”發(fā)起了挑戰(zhàn)，這讓胡克很不爽，直接結果就是胡克拉著波義耳等一起槍斃了牛頓關于光的顏色的論文，而牛頓也不甘示弱，在以后的論文里不斷提出對“波動說”的反駁。這些爭論最終導致了牛頓和胡克的終身私人仇恨，牛人相斗，兩敗俱傷。胡克說牛頓的一些研究是以他的研究為基礎的，牛頓便冷笑道：“那么說我就是站在巨人的肩膀上了哈！”（好像胡克并不高？）胡克很郁悶地在牛頓的冷嘲熱諷中度過了下半輩子。還是荷蘭人惠更斯比較懂學術政治，他先是作為院士和領導牛頓在劍橋相會討論光的本質問題，話說兩人是相互久仰、惺惺相惜?？伤睦镆呀洶l(fā)現許多現象不能用“微粒說”來解釋，并暗暗轉向了“波動說”?；莞挂换厝ケ阕隽艘幌盗袑嶒灢⑻岢隽斯獾牟▌诱f的完整理論。他認為光是靠物質載體“以太”來傳播的縱向機械波，并成功解釋了光的反射、折射、雙折射、衍射等現象。1678年，惠更斯出版了《光論》并公開演說反對微粒說。老牛很生氣，后果很嚴重。作為當時全世界最聰明的人，牛頓很快也找到了波動說的脈門，并且用微粒說更美好地解釋了光的現象，他還把物質微粒觀推廣到整個自然界，很合他的質點動力學的胃口。這些理論寫在了他的《光學》一書里，為了避免再被胡克等人槍斃的危險，這書直到胡克去世兩年后才出版。很不幸的是，惠更斯那時也已不在人世，“波動派”便衰微不振。牛頓利用他在力學上的卓越聲望，輕松地把“微粒派”發(fā)展壯大一統(tǒng)江湖。雖然不是千秋萬載，卻統(tǒng)治了整個十八世紀，這就是權威的力量。
楊氏雙縫干涉實驗 歷史的車輪總是滾滾向前的，在新自然哲學思潮下，權威也未必不被人懷疑。1800年-1807年，托馬斯.楊再次扛起了波動說的大旗。作為新一代掌門，楊用物理學最有力的研究方法——理論預言加實驗驗證然后再理論解釋逐漸完善了波動說。楊首先把光和聲波進行對比，認為光同樣存在疊加后增強或減弱的現象——光的干涉。他做了著名的楊氏雙縫干涉實驗：讓一束單色光穿過小孔衍射到另兩個小孔上，在小孔另一側接收屏上觀察到了明暗相間的條紋。這是證明光的波動性的關鍵實驗，可惜最初楊的解釋并不正確，因為他認為光波和聲波一樣都是縱波（傳播方向和振動方向在平行），而明暗相間的干涉條紋來自于入射波和反射波的疊加。公然和權威對抗總是艱難的，挺牛頓的微粒派弟子立馬抓住波動說的小辮子加以反駁甚至誹謗楊同學。比如拉普拉斯同學就用微粒說詳細分析了光的雙折射現象，用以駁斥波動說；而馬呂斯和布儒斯特從實驗上發(fā)現了光的偏振現象并給出了偏振定律，即光在沿傳播路徑上的振動方向是不對稱的，這是縱波里不可能出現的情況。楊同學很郁悶，但并沒有放棄，他仰頭看看惠更斯祖師爺，終于下決心邁出了更加理論上的關鍵一步：光不是縱波，而是橫波（傳播方向與振動方向垂直）。這么一來就清楚多了，光的偏振也不再神秘，因為振動方向和傳播方向垂直，故完全允許其呈不對稱，偏振正是橫波波動性的力證！這一招“以彼之道、還施彼身”擊中微粒說要害，而微粒派再也沒有牛頓這樣的牛人出來說話了。十年后，法國的土木工程師菲涅爾發(fā)揮業(yè)余興趣，從理論上給出了光的干涉預言，并在了解托馬斯.楊的工作之后進行了實驗驗證，成功建立了光的橫向傳播理論。之后，德國天文學家夫瑯和費用光柵做了光的衍射實驗，施維爾德對其結果進行了很好的波動說解釋。波動派終于東山再起，不僅成了江湖主流，而且還不斷發(fā)揚光大。19世紀后期，法拉第等人對電磁學的深入研究讓人們初步形成一個概念：光其實就是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程完美地統(tǒng)一解釋了所有電磁學現象，并且由此可以推論出電磁波的存在，且以光速傳播，我們看到的可見光實際上不過是電磁波的一種。1888年德國的赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在！光不僅僅是波，而且是電磁波，除了光之外，無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等等都是電磁波，它們之間的區(qū)別在于頻率不同而已。光的波動說至此可謂達到了完美。
邁克爾遜-莫雷的“以太漂移”實驗（From百度百科） 波動說的煩惱還不僅僅在于找不到“以太”這個載體，更可怕的烏云一朵接一朵地飄來。赫茲的實驗還有另一個現象，當用紫外線照射兩個金屬球時，電火花似乎更易出來，即光對金屬的照射可以產生電子。這就是光電效應的發(fā)現，愛因斯坦后來對其做出了解釋，他認為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子將吸收其能量并逃逸出來。光的微粒說再次浮出水面！愛因斯坦把光的微粒叫做“光子”。光子的概念并不是他的原創(chuàng)，而來自于德國的普朗克對黑體輻射的解釋。之前對于黑體輻射的研究，瑞利和金斯用理論解釋大部分波段的輻射曲線，然而在紫外波段則遇到了災難性的違反實驗結果。最嚴重的問題是，人們用如此完美的電磁學理論卻怎么也解釋不了一個簡單的黑體輻射譜，光的波動說再次遇到了障礙。普朗克通過引入一個新的概念——把光的能量分成不連續(xù)的一份一份的，每一份叫做能量的“量子”，通過統(tǒng)計能量量子的分布，就可以得到完全符合實驗譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續(xù)的量子化，這在當時絕大部分科學家心目中是不能接受的。普朗克也因為引入能量量子而心中不安，他甚至內疚地認為不應該對經典的電磁理論提出質疑，因為它是那么地完美無瑕。只有年輕大膽的愛因斯坦，不僅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應。新的光的微粒說——光的量子說由此誕生。新生事物往往很難為人接受，美國的密里根為此做了整整十年的實驗，試圖否定光的量子說，然后在1915年他公布的實驗結果卻是證實了光量子的存在，同時也測定出了普朗克常數（這個常數和光子頻率的乘積就是量子化的光子能量）。如果光具有量子化的粒子性，那么其他電磁波會如何？1923年，康普頓發(fā)現x射線被電子散射后頻率會變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問題是，那原先人們認為是粒子的電子等會不會有波動性呢？1927年，杰默爾和湯姆森先后證實了電子束的波動性質，隨后人們還發(fā)現氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質。事實上，如果讓可見光、x射線、電子甚至中子穿過合適的物質都可能發(fā)生衍射現象，即波強度在存在增強和減弱的效應，而“合適”的物質，實際就是其間隙和射線的波長相比擬——這正是波發(fā)生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？徹底把大伙兒給搞糊涂了。
于是，一切皆是粒子，一切又皆是波。關于光的粒子說和波動說的論戰(zhàn)逐漸變成了遙遠的傳說，只在歷史的長河上，留下了無數智者的身影，照耀著后人的前行。
1、光的本質——波動說與微粒說的交鋒http://www.hzjys.net/xkweb/zxwuli/Article/Class13/200405/212_2.html 2、光的波粒二象性發(fā)現http://www.csxsxx.com/zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/zutiweb/zu43/029.htm 3、光的發(fā)展史 http://www.vnetedu.com/edu/index_3.jsp?id=239 【篇后注】關于光的本質的爭論是物理學史上最為著名的論戰(zhàn)之一，論戰(zhàn)參與者幾乎都是當時最為權威或是最聰明的物理學家。如此的爭論往往是對物理學的極大促進和發(fā)展，如關于以太的是否存在的思考和對經典電磁學的發(fā)展誕生了相對論，而關于粒子的波動性的論證催生了量子力學，掀起了二十世紀初物理學上最偉大的一場革新。電磁學的研究開創(chuàng)了自19世紀以來的電器時代，而量子力學則更深地影響了近現代人們的生產和生活，如今幾乎所有電器都要用到半導體等基于量子力學原理的器件，而這僅僅是量子力學應用范圍的極小的一部分。同樣，這場爭論極大地促進了人們對光和微觀粒子的理解和認識，也為物理學研究帶來了許多有力的工具?，F代物理學中用x射線、電子和中子等作為探測工具，研究其通過材料后的散射行為，通過分析衍射圖樣就可以了解材料的原子排布、磁性排布、電子分布等信息。又如光電效應，現在已經發(fā)展為一系列的光電子能譜技術，可以直接獲得材料中的電子的能量和動量分布等信息，對材料的電磁特性可以給出微觀的機理解釋?？梢哉f，如果沒有對光的本質的論戰(zhàn)，也許將不會誕生今天如此輝煌的物理學。物理史上類似的討論還有很多，如關于愛因斯坦場方程宇宙學常數是否存在的問題。最近幾年觀測到暗物質和暗能量說明我們對宇宙的了解還是極其可憐地少，其中就涉及宇宙學常數的本質問題。新一輪的大討論正在延續(xù)，我們也期待著物理學更為壯麗的革新。  |
