量子力學篇 【量子力學篇-03期】光，究竟是什麼？

為什麼光子是能量吸收和發射的最小單位? 為什麼經過雙縫的光會產生干涉條紋? 如何正確理解玻璃二相性? 小朋友們大家好,歡迎來到量子力學。 今天我們的主題是 那個無處不在,而又無比神祕的光。 光,是每個人見得最多的東西, 是宇宙最原始的事物之一。 在遠古神話中, 傳說一道亮光劈開混沌與黑暗, 於是世界開始運轉。 翻開聖經,第一句話就是 起初神創造天地, 神說要有光,於是便有了光。 由此可以看出, 光在人們心中獨一無二的地位。 大自然將最隱私的祕密寫於光中。 恆星發射光, 為地球上的生命體提供能量, 植物吸收光, 通過光合作用產生糖, 人們以光年丈量宇宙的尺度, 以光的無法逃逸, 定義了宇宙中最神祕的天體——黑洞。 但是,光究竟是什麼? 自古以來,如果有誰能透過現象 略微窺探到光的一點點祕密, 那他就必定能名垂青史。 但要論對光的癡迷程度, 沒人能比得上物理學家。 其中最瘋狂的,還得是艾薩克·牛頓。 1665年,22歲的牛頓已經獲得了劍橋大學的學位。 由於當時英國正在爆發大規模瘟疫, 牛頓不得不從學校回到家鄉進行隔離。 就在隔離期間,牛頓的靈感與智慧大爆發。 1666年,牛頓一手創立了微積分, 完成了光的色散實驗, 並寫下了萬有引力定律。 這是三個領域史詩級的開創, 任何一位科學家只要一輩子能完成其中任何一項, 放在現在都將是諾獎級。 而年僅23歲的牛頓,一年內就完成了這三項, 因此,後人們將這一年稱為牛頓奇蹟年。 話說回來,在此之前,人們早就知道, 我們之所以能看到光,不是因為眼睛會發光, 而是因為光從物體上反射進眼睛的結果。 而牛頓通過光的色散實驗,已經知道光是有顏色的。 但他想要進一步弄清楚的是, 他所看到的色彩到底是藏在光裡,還是藏在眼睛裡。 為了一探究竟,牛頓不惜拿自己的眼睛 來做了一系列危險的光學實驗, 比如直視太陽光,壓破眼球,把黃銅板放在眼球裡, 甚至是用長針扎向自己的眼睛。 就是這些簡單又粗暴的家庭實驗, 使得牛頓成為了發現白光中隱藏著不同顏色的第一人。 牛頓成就非凡,其實要歸功於他窮追本質的精神。 萬物為什麼這樣? 如果將光一直分解下去,又會是什麼? 牛頓通過觀察陽光,影子,以及日全時, 注意到光必定是延直線傳播。 他認為光是由一束束微小的顆粒組成, 就好比一連串的子彈打在視網膜上。 光的威力說很好地解釋了光的直徑性以及光的反射現象。 但當時有一個人卻極力反對威力說的觀點。 他就是克里斯蒂安·惠更斯, 荷蘭的天才物理學家,數學家,以及天文學家。 他和牛頓一樣,有著永不滿足的好奇心。 雖然深受抑鬱症影響, 但他仍然在多個領域做出了卓越的成就。 在物理學方面,他建立了向心力定律, 提出動量守恆定律, 並根據自己的公式做出了世界上第一臺精確的擺鐘, 還自己動手做出了一種原始的電影放映機, 並命名為幻燈。 在天文學方面,他通過自製的天文望遠鏡, 發現了土星的衛星,泰坦星。 在數學方面,他和牛頓一樣, 也一手創立了一門新的科學分支,概率論。 在光學方面,惠更斯也有一套自己的理論。 和牛頓理論不同的是, 他不認為光是由一連串的威力組成, 而是像聲波一樣向四面八方擴散。 他認為,如果光是由微小顆粒組成, 那麼在兩束光交叉時, 就必然會有部分光陰發生碰撞而改變方向, 可當時人們並沒有發現這個現象。 並且,光的波動說能完美解釋光的折射現象, 而這是威力說無法解釋的。 所以,光到底是粒子還是波呢? 對此,科學家們分出了兩個派別, 威力派以及波動派。 在以牛頓為首的威力派這邊, 由於當時的牛頓是已經出版了數學原理 以及光學的牛頓, 是已經發明瞭微積分的牛頓, 是提出了萬有引力的牛頓, 也是國會議員,造幣局局長, 皇家學會主席, 是科學地位上神話般的人物。 而波動派則群龍無首, 因此,第一次波力之間的交鋒以威力派完勝。 直到大約100年後, 一位神童在英國的一個富裕的貴格會教徒家庭出生, 並且憑一己之力將局勢扭轉, 他的名字叫託馬斯·楊。 託馬斯·楊可以說是個不折不扣的全能天才, 兩歲認字,六歲通讀拉丁語聖經, 十四歲精通十種語言。 語言上的天賦使得他在26歲時 就破譯了人們長達1500年 都未能破譯的古埃及象形文字。 同時,作為醫學生的他, 發現了眼睛在生理學上的一種畸形, 並將其命名為散光。 在研究眼睛的過程中,楊接觸到了光學。 而我們今天要說的 就是他親自設計的一個光學實驗, 這是一個曾轟動了整個物理學界 延續至今的實驗。 它就是我們每個人在中學裡 都會學到的楊式雙縫干涉實驗。 整個實驗非常簡單, 三個紙板,一根蠟燭,一個單色玻璃罩。 根據惠更斯的理論, 當兩個相同波長的波源疊加時, 會導致波峯週期性疊加相消, 形成所謂的干涉現象。 於是,託馬斯楊將單色光通過兩條分離的細縫, 看光在抵達後方的屏幕時會是什麼圖案。 如果光是微粒, 那必然會是兩條明亮的細線, 但結果卻令人出乎意料。 屏幕上出現了一排排整齊的明暗相間的條紋, 這分明是兩條波疊加, 彼此干涉時才會出現的現象。 楊式雙縫干涉實驗強有力地證明瞭, 光就是一種波。 沉寂了近百年的波動派, 開始了他們的反擊。 1818年, 在法國科學院舉辦的一次懸賞真文競賽中, 一名叫做菲尼爾的年輕工程師 採用光的波動假設, 完美解釋了光的衍射現象, 並預言出一個非常荒謬的結果, 如果是圓盤衍射, 那在圓盤陰影正中間, 將會出現一個亮斑。 當時的評委,博松, 認為這顯然不可能, 但實驗結果發現, 真的有一個亮斑奇蹟般地 出現在了圓盤陰影的正中心, 並且亮度和大小都和理論完美符合。 這無疑給波動派 又新添了一把強有力的武器。 緊接著三年後, 菲尼爾再次提出 光是一種橫波, 而不是之前人們認為的縱波, 就像水波那樣, 這完美解釋了光的偏振現象。 不久後, 麥克思維電動力學橫空出世, 他的這套電磁理論 後來經過赫茲等人的整理, 提煉出了一個極其優美的核心, 也就是著名的麥克思維方程組。 它的簡潔,深刻, 使得每一個科學家都陶醉其中, 驚為天物。 對於那些具有美學追求的科學家來說, 一個理論的簡潔優美程度 甚至要比實驗數據的準確來得更為重要。 從此人們便知道了, 光其實就是電磁波, 不同的顏色 其實就是不同的波長和頻率而已。 所謂的什麼無線電波、 紅外線、 可見光、 紫外線、 倫琴射線 以及伽馬射線等等, 通通都是同一種東西。 唯一的區別就是頻率不同而已。 至此, 波動派的人氣達到了頂峯, 而威力派則早已銷聲匿跡, 似乎永無翻身之日了。 好景不長, 人們很快發現, 有一個實驗 物理學家發現, 如果你把一束光照射到金屬板上, 有時候會從它的表面打出電子來。 原本束縛在金屬表面原子裡的電子, 不知是什麼原因, 當暴露在一定光線之下的時候, 就如同驚弓之鳥一般, 紛紛往外逃竄。 對於光與電之間存在的這種有趣的現象, 人們給它取了一個名字, 叫做光電效應。 根據麥克思維電磁理論, 既然光是電磁波, 電子吸收電磁波的能量後動能增加, 所以就從原子裡跑了出來, 這看起來似乎並沒有問題。 但奇怪的是, 電子如何往外跑, 和光的強度一點關係都沒有, 而只和它的顏色, 也就是頻率有關。 比如,紅色的光, 不管多亮, 無論你照多久都照不出一個電子來, 但你如果用的是綠光, 哪怕光線很弱, 電子也能立即跑出來。 而如果換成藍光, 電子不但能跑, 而且跑出來後的速度還很快, 於是科學家們又集體懵了。 這不對啊, 在麥克思維的理論中, 電磁波的能量只跟強度有關, 和頻率沒關係。 而且根據麥克思維的理論, 一個電子被擊出, 如果是建立在能量吸收上的話, 它應該是一個連續的過程, 這能量可以累積。 那電子為什麼不能逐漸地從光波中積累能量, 攢夠了就跑呢? 神聖完美的麥克思維理論因此而陷入了困境, 無巧不成書, 1905年, 瑞士伯爾尼專利局的一位26歲的小公務員, 三等技師職稱, 留著亂彭彭頭髮的年輕人, 他的目光在光電效應的這個問題上停留了一下。 這個人的名字叫做阿爾伯特·愛因斯坦。 和前面的牛頓奇蹟年一樣, 1905年也叫做愛因斯坦奇蹟年。 那一年內, 愛因斯坦共發表了6篇物理學論文, 其中4篇引發了人類關於時間, 空間, 能量, 光, 以及物質的三大革命。 其中一篇叫《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》, 講的就是光電效應。 愛因斯坦從普朗克的量子假設出發, 我們在第一期有講到, 普朗克提出黑體在吸收和發射能量時不是連續的, 而是必須分成一小份一小份, 這個基本單位被他稱作量子, 其大小則由普朗克常數來描述。 但普朗克本人一直認為, 這個量子化的假設太過於顛覆常識, 它不可能具有實際物理意義, 僅僅是一種數學上的假設。 愛因斯坦雖然只是簡單看了一眼, 但憑藉著他敏銳的物理直覺發現, 事情並沒有這麼簡單。 結合光電效應的詭異之處, 為什麼提高光的頻率就能打出更高能量的電子? 普朗克不是說了嗎, 黑體發出的光的一份能量是E等於HV, 提高頻率, 不正是提高單個量子的能量嗎? 而更高能量的量子, 不正好能夠打出更高能量的電子嗎? 而提高光的強度只是增加了量子的數量罷了, 所以相應的結果自然是打出更多數量的電子。 忽然之間, 一切現象都變得順理成章起來。 於是,愛因斯坦在論文中寫道, 根據這種假設, 光線在空間中傳播時, 它的能量不是連續分佈的, 而是由一些數目有限, 侷限於空間中某個地點的能量子組成, 這些能量子不可分割, 它們只能整份地吸收和發射。 愛因斯坦由此提出了光量子的概念, 也就是我們現在所說的光子。 每個光子的能量等於它的頻率乘以普朗克常數。 和普朗克量子化假設不一樣的是, 愛因斯坦認為 這些假想中的量子是真實存在的。 他賦予了普朗克公式實際的物理意義, 並完美解釋了光電效應中的所有現象。 這也讓愛因斯坦獲得了他一生中唯一的一個諾貝爾獎。 是宿命始燃,還是因果輪迴, 歷史在轉了一個大圈後又回到了起點, 威利派一夜之間再次死灰復燃。 然而,威利派這次的處境並不樂觀, 畢竟已經有太多的證據表明光就是一種電磁波了。 一方面,這和經典電磁理論格格不入, 另一方面,雖然光量子的概念完美解釋了光電效應, 但依然還沒有一個實驗能非常明確地 直到1923年, 康普頓在研究X射線被自由電子散射規律時 發現了一個奇怪的現象。 散射出來的一部分X射線的波長 比原來的入射時的波長變得更長, 並且這個波長大小和散射角度還存在著一定的函數關係。 如果是按照通常的波動理論, 散射應該不會改變光的波長才對。 對此,康普頓百思不得其解。 終於有一天,康普頓心想, 不如用光量子的假射試試, 如果把光子想像成小球, 那它不僅有能量,還具有動量。 眾所周知,兩個小球碰撞時必然發生能量交換, 所以入射的光子會損失掉部分能量, 根據E等於HV,能量下降則頻率下降, 所以波長也就變長了。 康普頓根據動量守恆定律 計算出來的波長變化和實驗結果分毫不差。 於是,他總結道, 毫不懷疑的是輪琴射線是一種量子現象, 它不僅具有能量,還具有一定方向的動量。 上帝造了光,愛因斯坦告訴了我們什麼是光, 而康普頓則是第一個真正意義上看到了這個光的男人。 至此,關於波雨麗的戰爭全面爆發。 一方面,捲土重來的威力軍團裝備了最先進的武器, 光電效應和康普頓效應。 另一方面,波動派則擁有麥克思維理論 以及整個經典物理體系的強大後援, 而雙縫干涉現象以及柏松量班的存在 也依然是不爭的事實。 雙方戰局陷入僵持,光到底是粒子還是波? 當物理學家們還在苦苦糾結這個問題的時候, 一個來自法國貴族家庭的年輕人 又冒出了一個大膽的想法, 既然光可以是粒子, 那為什麼電子就不能是波呢? 預知後事如何,且聽下回分解。