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光奇特的屬性——波粒二象性

光是以粒子存在，以波形式傳播的嗎？

  • 上大學(xué)的學(xué)物理和化學(xué)時就第一次接觸到光的波粒二象性，當(dāng)時壓根沒搞懂光到底是什么，是波呢還是粒子呢？如果光是波，那么它為什么具有粒子的屬性呢？如果光是粒子，那么它為什么具有波的屬性呢？時至今日，也沒科學(xué)家能給出結(jié)論光到底是什么。
  • 近現(xiàn)代對光的研究要追溯到笛卡爾的時代，當(dāng)時人們在對物理光學(xué)的研究過程中，光的本性問題和光的顏色問題成為焦點。關(guān)于光的本性問題，笛卡兒 在他《方法論》的三個附錄之一《折光學(xué)》中提出了兩種假說。一種假說認(rèn)為，光是類似于微粒的一種物質(zhì);另一種假說認(rèn)為光是一種以'以太'為 媒質(zhì) 的壓力。雖然笛卡兒更強(qiáng)調(diào)媒介對光的影響和作用，但他的這兩種假說已經(jīng)為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。

光的衍射現(xiàn)象

  • 十七世紀(jì)中期，物理光學(xué)有了進(jìn)一步的發(fā)展。1655年，意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時，首先發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象。據(jù)此他推想光可能是與水波類似的一種流體。格里馬第第一個提出了'光的衍射'這一概念，是光的波動學(xué)說最早的倡導(dǎo)者。

  • 1672年，牛頓總結(jié)了他做的光的色散實驗:讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜。他認(rèn)為光是由很多種不同顏色的粒子組成的，通過色散試驗后就把他們分離開來，由此證明光是粒子。但是1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的 英國皇家學(xué)會 評議委員會對牛頓提交的論文《關(guān)于光和色的新理論》基本上持以否定的態(tài)度，至此牛頓大神和胡可大神這對冤家算是杠上了。

  • 波動說的另外一個支持者惠更斯認(rèn)為，光是一種 機(jī)械波 ; 光波 是一種靠物質(zhì)載體來傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)載體是'以太';波面上的各點本身就是引起 媒質(zhì) 振動的波源。根據(jù)這一理論，惠更斯證明了 光的反射定律 和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的' 牛頓環(huán) '實驗。但是因為在19世紀(jì)中以前，牛頓在物理界的地位實在太高了，微粒說占據(jù)了主導(dǎo)地位。

  • 直到楊氏雙縫干涉實驗的出現(xiàn)，一束光源經(jīng)過兩條很細(xì)小的縫隙后，在雙縫后面放置一塊光屏，在光屏上就會出現(xiàn)干涉條紋，干涉條紋是波特有的性質(zhì)，由此強(qiáng)有力的證明了光是一種波。托馬斯·楊完成的雙縫實驗顯示出，衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說無法預(yù)測的一種波動行為。這實驗確切地證實了光的波動性質(zhì)。

  • 19世紀(jì)前波動說再次占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是在19世紀(jì)有四大經(jīng)典物理不能解決的問題：氫原子光譜、黑體輻射、光電效應(yīng)和原子穩(wěn)定性問題。量子力學(xué)創(chuàng)始人普朗克破天荒的使用了量子論來解決了黑體輻射問題，緊接著愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子論引入了光量子這一個概念，從而解決了光電效應(yīng)問題，兩人都因此獲得了諾貝爾獎。他們兩人主要引入了量子化的概念，他們認(rèn)為光和能量不是連續(xù)的（波是連續(xù)的），而是一份一份的（粒子的屬性），這時候光的粒子性就表現(xiàn)出來了，光是粒子又慢慢開始占了上風(fēng)。

  • 其中楊氏雙縫干涉實驗的衍生版本是最有趣的，其中有一個是這樣做的：在楊氏雙縫干涉實驗的基礎(chǔ)上，我們安裝電子記錄器去跟蹤電子從發(fā)射后的路徑，我們最后會發(fā)現(xiàn)光的波動性就不存在了，在光屏看到的是兩條亮紋；但是當(dāng)我們沒有安裝電子記錄器去跟蹤電子的路徑時，在光屏后看到的是亮暗相間的干涉條紋。簡單點說你去跟蹤電子路徑，那電子就是粒子，沒干涉條紋；當(dāng)你不跟蹤電子路徑時，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雙重對立的屬性，很無奈，但是只能這么解釋。
  • 我的主頁有雙縫干涉實驗的視頻，圖文比較難理解，可以去觀看視頻。如果你喜歡物理學(xué)可以關(guān)注小編，讓我們一起去探討有趣的物理現(xiàn)象和這個神秘的宇宙。
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