量子力学系列科普(二)波粒战争

量子力学本身有许多神奇的问题,出于人们对于光的本性的探讨和认识。那什么又是波粒战争?

作者 / 永乐老师 出品 / 公众号“李永乐老师”(ID:xuexige2017)

之前我们讲了科学家们通过研究黑体辐射,发现了能量量子化理论,从而开创了物理学的新的征程——量子力学。在继续量子力学的征途之前,我们不妨先来回顾一下人们对于一个古老的问题的争论:光到底是什么。因为,量子力学的许多神奇问题,正是出于人们对于光的本性的探讨和认识。

这一回,我要给大家科学家们对光的本性的争论——波粒战争,在100年的争论中,世界第一流的科学家悉数登场,战斗的精彩和激烈,也许只有后面爱因斯坦和波尔之战才能与之媲美。

1 古希腊时代

人们为什么能看见物体?早在几千年前的古希腊时代,人们就对于这个问题有过许多争论。比如,古希腊伟大的唯物主义哲学家德谟克利特,提出了进入说:他认为物质是由原子构成,原子会向外发射一种粒子,而这种粒子就是光,光进到人的眼睛里,人们就看见东西了。

和德谟克利特并驾齐驱的人是毕达哥拉斯,他提出了发射说:人的眼睛能够往外发射一种触手,叫视手。这个触手摸到物体时,人的眼睛就看见东西了。但是这无法解释为什么在黑暗处人们就看不到物体。

机智的柏拉图就不会那么早妄下定论,而是综合之前别人提到的观点,最终提出遇见说:人的眼睛和太阳都会发射光,当这两种光结合后,人才能看见东西。

柏拉图和希腊众大神

2 牛顿时代

古希腊的哲学家们拍脑袋探讨光的本性,并没有多少理论和实验依据。真正的把光学变为一门科学的人是那个被苹果砸了脑袋的科学巨匠——艾萨克.牛顿。

1666年,牛顿22岁,在乡下躲避瘟疫。他完成了一个重要的光学实验:光的色散实验。太阳光通过一个三棱镜,阳光就神奇般的被分成了七种颜色。如果把七种颜色的光通过一个相反的三棱镜,有可以汇聚成一束白光。他明白了:白光是由七种颜色的光组成。

牛顿色散实验

牛顿还发现了一个神奇的光学现象:牛顿环。

牛顿环

一个球缺形的玻璃制品下面放一个玻璃平板,让一束光从上往下照射,就会发现球缺上出现了一圈一圈的明暗条纹。现在我们把牛顿环作为一种典型的干涉现象:光线在球面和平面上的反射光发生了干涉,它表明了光是一种波。

但是牛顿当时不这么认为,他坚定地认为光是粒子。在1704年,牛顿写出他的著作《光学》,在这本书里牛顿提出了微粒说的观点:光是在以太中运动的微粒。牛顿的微粒说很容易解释光的反射和折射,比如,光为什么在界面上会发生反射呢?因为光是个粒子,他撞了界面之后像台球一样反弹了。

粒子说解释光的反射

牛顿在光学方面的贡献是卓越的,即便他没有发现牛顿三大定律和万有引力定律,光学方面的发现也足以让他名垂青史。

然而,在那个牛顿称霸学术界的年代,也有一些科学家反对光的微粒说。例如荷兰物理学家克里斯蒂安.惠更斯和英国物理学家罗伯特.胡克。他们不谋而合得认为光不是微粒,光是在以太中传播的波。

人们很早就认识了机械波,机械波就是振动的传递。例如:声音就是机械波,它是在空气介质中传播的振动。音叉振动时会周期性的挤压附近的空气,让空气振动起来。后面的空气又会挤压前面的空气,于是声波就往前传递了。

声波的传播

惠更斯和胡克认为:光也是这样一种机械波,发光的物体挤压以太,以太振动起来,光就向前传播。

1690年,惠更斯在他的著作《光论》中提出了著名的惠更斯原理,用以解释光的传播、反射和折射,光的波动说就这样出现了。

在牛顿称霸的几十年里,他一直利用自己的权威打压波动说,甚至销毁了胡克所有的画像。以至于当时的人们大都认为微粒说才是正确的。第一回合,微粒说胜出。

3 天才降临——托马斯杨双缝干涉实验

1773年,牛顿已经去世四十五年,一个英国小男孩呱呱坠地,他的名字叫做托马斯.杨。

托马斯.杨

托马斯.杨是一个传奇人物,据说他两岁时就开始阅读,13岁的时候已经熟练掌握了拉丁文、希腊语、法语和意大利语,然后又开始研究希伯来语、阿拉伯语和波斯语。他比较了400种语言,提出了印欧语系。后来又凭借对罗塞塔石碑的研究,成为了最早破译埃及象形文字的人之一。

除了在语言方面的天赋,托马斯杨还是一个著名的医生。20岁的时候,他发现了眼睛可以自动调节焦距,并提出了散光的原理。在心脏、血管等方面也很有建树。

托马斯.杨还会演奏当时几乎所有的乐器,甚至还有人传言他会走钢丝。溢美之词多的难以言表,最后人们送他的称号是:世界上最后一个什么都知道的人。 

不过,我们今天要讲的是托马斯杨在物理上的贡献——著名的双缝干涉实验。

什么是干涉?两列波相互相遇的时候,会发生振动的叠加。如果两列波的波峰和波峰在某处相遇,这里就会出现大峰,振动加强;如果一列波的波峰和另一列波的波谷相遇了,峰谷相互抵消,振动就减弱了。有的地方振动加强,有的地方振动减弱,这就是干涉,比如下面就是水波的干涉图样。

水波干涉

如果要获得稳定干涉,需要两列波频率相同,相位差恒定,这一点在机械波上很容易满足,所以机械波的干涉现象是很常见的。但是,普通光却不满足上面的条件,普通光是非相干光,很难发生干涉。

不过,这难不倒什么都知道的托马斯·杨。1801年,28岁的托马斯·杨提出了双缝干涉实验。

双缝干涉实验

让光源发出的光通过一个小孔(后来改为一个单缝),在后面再放置一对平行的双缝,神奇的事情出现了:背后的光屏上出现了明暗相间的条纹!

条纹为什么会出现?因为光经过单缝后,又被双缝一分为二,这两束光就像双胞胎一样具有完全相同的频率和相位。两束光到达屏幕上的不同位置时,由于走的路程不同,有的地方是波峰和波峰叠加,干涉加强,就形成了量纹;有的地方是波峰和波谷叠加,干涉减弱,就形成了暗纹。

光可以发生干涉!而干涉是波的特点!托马斯杨据此提出:牛顿错了,光是一种波!

托马斯杨的实验在科学界扔下了一颗原子弹,几乎没有人支持他,以至于他写成了专著之后只卖出去1本。悲伤和无助让他放弃了物理学研究,也成就了他在语言学和医学方面的建树。

4 再补一刀——泊松亮斑

尽管托马斯·杨的实验已经清楚的证明了光的波动性,但是有一些粒子说的支持者不死心,他们撺掇法国科学院组织了一个有关光的本性的征文比赛,希望以此重树微粒说的雄风。

在那个年代,法国科学院特别喜欢组织类似的征文比赛。在1817年的那次比赛中,一个年轻的物理学家菲涅耳提出的衍射理论,又给了微粒说致命一击。

菲涅耳

衍射也是波的特点,表示波可以绕过障碍物,继续往前传。例如,水波遇到一个小孔,会从小孔中穿过,而且穿过之后水波会发散。声波也具有这个特点,所以我们在墙里面说话,墙外的人也能够听到。

水波衍射

光波也有这个特点,假如你用一个非常小的物体挡光,光也可以绕到障碍物后面。针对这个特点,二十九岁的菲涅尔,毛遂自荐,向法国科学院提交了一篇论文,在文中他吸收托马斯·杨的实验的思想,重新表述了惠更斯原理,提出了一套计算方法用以解释光的衍射现象,他认为光是一种波。

组织这个比赛的目的是让人们用粒子说解释干涉和衍射实验,结果菲涅尔用波动说解释的如此完美,无懈可击。法国科学院炸锅了,大批粒子说的支持者:著名的法国数学家泊松、被称为法国牛顿的物理学家拉普拉斯、化学家盖吕萨克等人坐不住了,他们与支持波动说的科学家——当过法国总理的科学家阿拉果进行着激烈的辩论。

在辩论赛中,最让人印象深刻的非泊松莫属。

泊松

泊松说:菲涅尔的计算看似优美,实际上肯定是错的。因为,按照菲涅耳的计算,如果用一个束平行光照射不透明的小圆盘,小圆盘背后的阴影中心会出现一个亮点。这是因为从边缘绕过圆盘的光会在背后阴影的中心叠加加强。阴影中心是亮的,这简直是天方夜谭!

不过,阿拉果并没有屈从于泊松的权威(这可能是因为他自己也是权威),他按捺着自己激动的心情,淡淡的说:那么我们做个实验验证一下好了。

实验很快就有了结果,阴影中心果然有一个亮点!那么,就叫它泊松亮斑吧!

泊松亮斑

尴尬的泊松之前一定没想到,自己的名字居然会这样和光的波动性联系在一起。自己本来是为了驳倒波动说,结果自己反而为粒子说补了最后一刀。

第二回合,波动说胜出。 

从牛顿提出微粒说,到人们确认光是波,经历了100多年。牛顿、胡克、惠更斯、托马斯杨、菲涅耳、泊松、阿拉果…一系列光辉的名字都融入了这场恢弘的战斗之中。几十年后,经过麦克斯韦的贡献,人们认识到光不是机械波,而是电磁波,光的波动说正式确立。

然而,战斗并没有结束,爱因斯坦提出的光电效应理论,康普顿发现的康普顿效应,似乎预示着光还是一种粒子,而这又把物理学推向了新的高度。

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