| 光的波粒二象性——人類最偉大的十個科學發(fā)現(xiàn)之十 |
| 作者：塔米姆·… 文章來源：科技園 |
| 本站將陸續(xù)推出這十大科學發(fā)現(xiàn)的故事，它們分別是勾股定理、微生物的存在、三大運動定律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、血液循環(huán)、電流、物種進化、基因、熱力學四大定律、光的波粒二相性，敬請關(guān)注。 光的波粒二象性——人類最偉大的十個科學發(fā)現(xiàn)之十 塔米姆·安薩利 人類對光的研究起源很早，但對光本質(zhì)的認識經(jīng)歷了一個較漫長的過程。光究竟是波還是粒子？光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共三百多年的時間。正是這種爭論，推動了科學的發(fā)展，并導致了20世紀物理學的重大成就——量子力學的誕生。 戰(zhàn)國初期偉大的思想家 、政治家，也是一位有卓越貢獻的自然科學家墨子（生于公元前480-476年左右，卒于公元前420-390年左右）（如上左圖）是墨家學派的創(chuàng)始人。墨家學派著作的總匯是《墨子》,其主要組成部分是《墨經(jīng)》（如上右圖），這是一部內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)目茖W著作。《墨經(jīng)》中記載了豐富的幾何光學知識。墨子和他的學生做了世界上最早的“小孔成像”實驗，并對實驗結(jié)果作出了光沿直線傳播的科學解釋，并用此原理解釋了物體和投影的關(guān)系。 古希臘數(shù)學家歐幾里德（Euclide，公元前330-275）（如下左圖）在他的《光學》著作里總結(jié)了到他那時為止已有的關(guān)于光現(xiàn)象的知識和猜測。那時的人們已經(jīng)知道，在眼睛和被觀察物體之間行進的光線是直線；當光線從一個平面反射時，入射角和反射角相等。 古希臘天文學家、地理學家和光學家托勒密（Clandius Ptolemaeus，約90－168）（如上右圖）最早做了光的折射實驗。托勒密在他的最后一本重要著作《光學》中提出和說明了各種基本原理，他依靠經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)了折射的規(guī)律，繪出了光線以各種入射角從光疏媒介進入水的折射表，但沒有由此得出精確的折射定律。 英國科學家羅吉爾·培根（Roger Bacon，1214-1292）（如下左圖）在物理學方面，特別是對于光學的研究極為深刻，他通過實驗研究了凸透鏡的放大效果以及光的反向和折射規(guī)律，證明了虹是太陽光照射空氣中的水珠而形成的自然現(xiàn)象。 德國天文學家和數(shù)學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler，1571-1630）（如下左圖）對光的折射現(xiàn)象進行了深入的研究，并于1611年出版了《折射光學》一書。開普勒的研究表明，對于兩種給定的媒質(zhì)，小于30度的入射角同相應(yīng)的折射角成近似固定的比，對于玻璃或水晶，這個比約為3:2。他還表明，這個比對于大的入射角不成立。開普勒試圖通過實驗發(fā)現(xiàn)精確的折射定律，他的方法雖然是正確的，卻沒有得到其中有規(guī)律性的聯(lián)系，但開普勒的研究為后來斯涅耳得出折射定律起到了一定的啟示作用。 荷蘭數(shù)學家威里布里德·斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen，1591-1626）（如上右圖）在總結(jié)托勒密、開普勒等前人的研究成果后做了進一步的實驗。1621年，斯涅耳在實驗中注意到了水中的物體看起來像漂浮的現(xiàn)象，由此引出了他對折射現(xiàn)象的研究，并發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，也稱斯涅耳定律，但當時未做任何理論推導，雖然正確，卻未正式公布。 1637年，法國數(shù)學家、物理學家、哲學家笛卡兒(Rene Des cartes，1596—1650)（如下左圖）在他的《屈光學》書中提出了著名的折射定律。他從一些假設(shè)出發(fā)，并從理論上進行了推導，即光的入射角與折射角的正弦之比為常數(shù)，由此而奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。 格里馬第的實驗引起了英國物理學家胡克（Robert Hooke，1635-1703）（如下左圖）的興趣。他重復了格里馬第的工作，并仔細觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通過薄云母片而產(chǎn)生的光輝。他判斷，光必定是某種快速的脈沖，提出了“光是以太的一種縱向波”的假說。根據(jù)這一假說，胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的。他在1665年出版的《顯微術(shù)》（Micrographia）一書中明確地支持波動說。這本著作很快為胡克贏得了世界性的學術(shù)聲譽，由于他的加入，波動說似乎也在一時占了上風。 牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本理論，并由此而產(chǎn)生激烈的爭議和探討，科學家們就光是波動還是微粒這一問題展開了一場曠日持久的拉鋸戰(zhàn)。因牛頓在學術(shù)界的權(quán)威和盛名，“微粒說”一直占據(jù)著主導地位。 英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young，1773-1829）（如下左圖）對牛頓的光學理論產(chǎn)生了懷疑。楊氏在1800年寫成的論文《關(guān)于光和聲的實驗和問題》中，把光和聲進行類比，因為二者在重疊后都有加強或減弱的現(xiàn)象，他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，并指出光是以縱波形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。在經(jīng)過百年的沉默之后，波動學說終于重新發(fā)出了它的吶喊；光學界沉悶的空氣再度活躍起來。 楊氏的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。 1808年，法國著名的天文學家和數(shù)學家拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace，1749-1827）（如下左圖）用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說。 1809年，法國物理學家及軍事工程師馬呂斯（Etienne Louis Malus，1775-1812）（如上右圖）在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對波動說的有利證據(jù)。 面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論。 1813年起阿拉果對微粒說的信仰發(fā)生了動搖，他參與測定了許多液體和固體折射率，發(fā)現(xiàn)根本不存在微粒說所述的和密度成正比的關(guān)系；此外，他還認識到楊氏1801年的干涉理論能更好地解釋色偏振等實驗事實。 法國物理學家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788－1827）（如下左圖）1815年就試圖復興惠更斯的波動說，但他當時還不知道楊氏關(guān)于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。后來阿拉果告訴了他楊氏新提出的關(guān)于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎(chǔ)開始了他的研究。1819年，菲涅耳成功地完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說。在對光的傳播方向進行定性實驗之后，菲涅耳與轉(zhuǎn)向波動說的阿拉果一道建立了光波的橫向傳播理論。 1814年，德國天文學家夫瑯和費（Joseph Von Fraunhofer，1787－1826）（如上右圖）在重復做牛頓分解太陽光的實驗時，在一間小黑屋子的窗板上開了一條狹縫，讓太陽光通過這條縫射入屋子里，成為一條扁扁的光束，再讓光束經(jīng)過三棱鏡，變成了寬大的扇形落到對面的白墻上，成為從紅到紫的光帶，他意外地發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的一些重要現(xiàn)象。1821年夫瑯和費在波動學說的基礎(chǔ)上導出了從衍射圖形求波長的關(guān)系式。 隨著光的波動學說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來，但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出。 菲涅耳在研究以太時發(fā)現(xiàn)，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運轉(zhuǎn)呢。不久以后法國科學家泊松（Siméon Denis Poisson，1781－1840）（如下左圖）也發(fā)現(xiàn)了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學說相矛盾。 為了解決各種問題，1839年法國數(shù)學家柯西（Augustin Cauchy，1789-1875）（如上右圖）提出了第三種以太說，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)，試圖以此解決泊松提出的困難。 英國物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831－1879）（如下左圖）通過對電磁現(xiàn)象的研究，建立了電磁學，并將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，認為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而確立了波動說的地位。這種理論預見后來得到了實驗的證實。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》相媲美的書，具有劃時代的意義。 1887年，德國科學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）（如上右圖）用實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。赫茲在實驗中同時也證實了光電效應(yīng)，即在光的照射下物體會釋放出電子，這一發(fā)現(xiàn)，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。 但電磁學存在著巨大缺陷，按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度（光速）應(yīng)該是一個恒量，然而根據(jù)經(jīng)典力學對光速的解釋，不同慣性系中的光速不同。光速究竟是否應(yīng)該遵從相對性原理？電磁學對光速的解釋與經(jīng)典力學在相對性原理上相互之間產(chǎn)生了巨大的矛盾，而正是這一矛盾，導致了人類歷史上最偉大的科學家——愛因斯坦的出現(xiàn)。 1916年美國物理學家羅伯特·密立根(Robert Andrews Millikan，1868－1953)（如下左圖）發(fā)表了光電效應(yīng)實驗結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。 美國物理學家康普頓（Arthur Holly Compton，1892－1962）（如上右圖）1921年在實驗中證明了X射線的粒子性。1923年他發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)，這是近代物理學的一大發(fā)現(xiàn)。按經(jīng)典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而按愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結(jié)果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，它進一步證實了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性。 1924年，奧地利物理學家泡利(Wolfgang Ernst Pauli，1900－1958)（如下左圖）發(fā)表了“不相容原理”：原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于同一量子態(tài)。這一原理使當時許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的問題得以圓滿解決，對所有實體物質(zhì)的基本粒子（通常稱之為費米子，如質(zhì)子、中子、夸克等）都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計力學——費米統(tǒng)計的基點。 1925年，德國物理學家海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901－1976）（如下左圖）鑒于玻爾原子模型所存在的問題，拋棄了所有的原子模型，而著眼于觀察發(fā)射光譜線的頻率、強度和極化，利用矩陣數(shù)學，將這三者從數(shù)學上聯(lián)系起來，從而提出微觀粒子的不可觀察的力學量，如位置、動量應(yīng)由其所發(fā)光譜的可觀察的頻率、強度經(jīng)過一定運算（矩陣法則）來表示。他和玻爾等合作，建立了量子理論第一個數(shù)學描述——矩陣力學。1927年，他闡述了著名的不確定關(guān)系，即亞原子粒子的位置和動量不可能同時準確測量，成為量子力學的一個基本原理。 1927年，美國貝爾實驗室的戴維森（Clinton Joseph Davisson，1881－1958）、革未（Lester Halbert Germer，1896－1971）（如上左圖）及英國的湯姆遜（George Paget Thomson，1892－1975）（如上右圖）通過電子衍射實驗，都證實了電子確實具有波動性。至此，德布羅意的理論作為大膽假設(shè)而成功的例子獲得了普遍的贊賞。以后，人們通過實驗又觀察到原子、分子……等微觀粒子都具有波動性。實驗證明了物質(zhì)具有波粒二象性，不僅使人們認識到德布羅意的物質(zhì)波理論是正確的，而且為物質(zhì)波理論奠定了堅實基礎(chǔ)。 光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時間。牛頓、惠更斯、托馬斯·楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗?？缡兰o的爭論引出了量子力學的誕生，它是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律的物理科學，是20世紀人類文明發(fā)展的一個重大飛躍，引發(fā)了一系列劃時代的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步做出重要貢獻。在現(xiàn)代科學技術(shù)中的表面物理、半導體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。我們的現(xiàn)代文明，從電腦、電視、手機到核能、航天、生物技術(shù)，幾乎沒有哪個領(lǐng)域不依賴于量子論。 |
