光的本質(zhì)是波還是粒子？

“光就像雨滴一樣，每一小塊光都被稱為光子，如果光都是一種顏色，那么所有的”雨滴“都是一樣的。— 理查德·費曼

光是我們眼睛可以看到的一種能量。它是電磁輻射的一個更大家族的一部分，其中包括無線電波、X 射線等。當我們談?wù)摽梢姽鈺r，我們談?wù)摰氖俏覀兛吹降念伾热缂t色和藍色。

電磁波譜

把光想象成波浪，每種顏色都有其特殊的波浪大小。我們能看到的波長從400到700納米不等。光以稱為光子的微小粒子的形式在空間中傳播，它們的行為既像波又像粒子。

這種波和粒子行為的混合是科學家喜歡在現(xiàn)代物理學中探索的東西。可見光的范圍通常為 420 至 680 納米，但在某些條件下，人們可以看到至少 1,050 納米的紅外線。

年輕人甚至可能看到一些紫外線，小到大約310-313納米。所以，它就像一個五顏六色的波浪光譜，有些是我們可見的，有些是看不見的，不同的動物根據(jù)這些波浪以獨特的方式看待世界。

測量光速的歷史努力

真空中的光速是一個基本常數(shù)，精確定義為每秒 299,792,458 米，大約每秒 186,282 英里。該定義與米相關(guān)聯(lián)，使其成為國際單位制 （SI） 中的固定值。所有形式的電磁輻射，包括光，在真空中以這種恒定速度傳播。

長期以來，科學家們一直對光的傳播速度感到好奇。早在17世紀，伽利略就試圖弄清楚這一點。然后，在1676年，一個名叫Ole R?mer的人用望遠鏡觀察了木星的衛(wèi)星Io。

通過注意到其軌道的變化，他估計光穿過地球軌道大約需要22分鐘。如果他知道當時地球軌道的大小，他得出大約每秒 227,000,000 米的速度。

這是 Fizeau 裝置的示意圖。光線在出路時從牙齒的一側(cè)通過，在返回途中從另一側(cè)通過，假設(shè)齒輪在光的傳輸過程中旋轉(zhuǎn)一個牙齒。

1849 年，Hippolyte Fizeau 實現(xiàn)了更準確的測量。菲索將光束對準幾公里外的一面鏡子，并使用旋轉(zhuǎn)的齒輪測量光速為每秒 313,000,000 米。

1862年，萊昂·福柯Léon Foucault使用旋轉(zhuǎn)鏡進行了實驗，并獲得了每秒298,000,000米的值。

從1877年到1931年，阿爾伯特·邁克爾遜（Albert A. Michelson）使用改進的旋轉(zhuǎn)鏡進一步完善了這些測量結(jié)果。

1926 年，他從威爾遜山到加利福尼亞州的圣安東尼奧山進行了實驗，以每秒 299,796,000 米的速度精確測量光速。

光如何塑造我們對世界的感知？

在7500萬光年外的照片中觀察星系意味著你看到的不是它目前的狀態(tài)，而是當你看到的光在7500萬年前離開時它的存在。

這意味著這張照片捕捉到了恐龍是地球上占主導地位的生命形式的銀河系，而你只是那個時代微型哺乳動物小腦袋中的一個概念。

你可能熟悉這樣的想法：當你看到7500萬光年外的星系的照片時，你看到的不是現(xiàn)在的樣子，而是7500萬年前光開始旅行時的樣子。發(fā)生這種情況是因為光需要時間來傳播，而光速是有限的。

所以，當你看著遠處的物體時，你實際上是在回顧過去。想想星系在數(shù)百萬年的時間里演化是很有意思的，但這里有一個轉(zhuǎn)折點——你不需要數(shù)十億光年外的星系來體驗這種時間旅行的概念。

在日常生活中，它無處不在。你基本上被時間的流動所吸引，你和你所看到的任何東西之間的距離會影響你對時間的感知。

想象一下，你正在看兩米外的一把椅子。從那把椅子發(fā)出的光只用了十億分之六秒（納秒）就能到達你的眼睛。

這是很短的時間，但這里有一個問題：當你看到事物時，你看到的是它們，就像光線離開它們時一樣。

你永遠無法看到現(xiàn)在的世界?，F(xiàn)在，想想一米外的一張桌子。這張桌子發(fā)出的光只花了三納秒就到達了你，因為它離椅子的距離只有一半。

盡管椅子和桌子似乎在你的當下，但你看到的“現(xiàn)在”是來自過去不同時刻的光線的混合。你的“現(xiàn)在”就像一個由重疊的“然后”組成的拼圖。

把你的世界想象成一條拼湊而成的被子，由散落在不同時間線上的時刻縫合在一起?；钤诋斚虏粌H僅是體驗事物的本來面目。

這就像展開一幅用過去的線編織的掛毯。你周圍的一切——椅子、桌子、房子，甚至月亮和星星——都有其獨特的歷史。

但是，當你置身于這種不拘一格的混合之中時，它們都會聚集在一起，塑造你稱之為生命的轉(zhuǎn)瞬即逝的時刻。奧秘在于創(chuàng)造一個現(xiàn)實，從你活在當下的強大幻覺中不可否認地感覺真實。

慢動作中的光

在各種含有普通物質(zhì)的透明物質(zhì)中，光速比在真空中慢。例如，在水中，光在真空中以大約四分之三的速度傳播。

銣原子氣體的速度分布數(shù)據(jù)，證實了物質(zhì)的新相——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的發(fā)現(xiàn)。

左圖——就在玻色-愛因斯坦凝聚體出現(xiàn)之前。

中 — 緊接冷凝水出現(xiàn)后。

右 — 進一步蒸發(fā)后，留下幾乎純凈的冷凝物樣品。

有報道稱，兩個獨立的物理學家團隊聲稱，通過將光通過元素銣的玻色-愛因斯坦凝聚物，使光“完全靜止”。

一個團隊來自哈佛大學和馬薩諸塞州劍橋的羅蘭科學研究所，另一個團隊來自同樣位于劍橋的哈佛-史密森尼天體物理中心。

然而，重要的是要澄清，在這些實驗中，光被“停止”的流行概念是指在原子的激發(fā)態(tài)中存儲光的過程。

然后，當?shù)诙€激光脈沖刺激時，這種存儲的光會在以后的時間重新發(fā)射。值得注意的是，在它被“停止”的那段時間里，它已經(jīng)不再像光一樣發(fā)揮作用。

光壓動力學

當光線照射到液體表面時，其中一些會反彈回來，其余的會通過。最近的實驗首次揭示了液體的表面向內(nèi)彎曲。這意味著光對流體施加壓力。圖片來源：Zhang， et al.

光對其路徑上的物體施加物理壓力，這種現(xiàn)象可以用麥克斯韋方程組來解釋，但通過光的粒子性質(zhì)更容易理解。

在這種情況下，光子與物體碰撞，傳遞它們的動量。光施加的壓力是通過將光束的功率除以光速來計算的。

然而，由于 c 的數(shù)量級很高，光壓對日常物體的影響通?？梢院雎圆挥?。理論上可以翻動一分錢的硬幣，但實現(xiàn)這一目標需要一個不切實際的數(shù)字——大約300 億個 1 毫瓦激光筆！

然而，在納米機電系統(tǒng)（NEMS）等納米級應用中，光壓的影響變得更加顯著。研究人員積極探索利用光壓來驅(qū)動NEMS機制和切換集成電路中納米級物理開關(guān)的方法。

在更大的尺度上，輕微的壓力會影響小行星的旋轉(zhuǎn)，使它們旋轉(zhuǎn)得更快，就像風車葉片一樣，形狀不規(guī)則。此外，目前正在研究開發(fā)可以在太空中推動宇宙飛船的太陽帆的概念。

由于光壓的作用，阿爾伯特·愛因斯坦在1909年預言了“輻射摩擦”的存在，這與物質(zhì)的運動相反。

在他的解釋中，他指出輻射對板的兩側(cè)施加壓力。如果板是靜止的，則兩側(cè)的壓力相等。

但是，如果板在運動中，則在面向運動方向的表面（前表面）上反射的輻射比在另一側(cè)（背面）反射的輻射更多。

這種壓力的不平衡會產(chǎn)生一種力，阻礙板的運動并隨著其速度的增加而增加。愛因斯坦將這種合力稱為“輻射摩擦”。

通常，光的動量與其運動方向一致。然而，在像倏逝波這樣的情況下，動量與傳播方向是橫向的。

光如粒子

微粒理論的思想認為，光是由稱為“微?！钡奈⑿×Ｗ咏M成的，這些粒子總是沿直線運動。

皮埃爾·加森迪Pierre Gassendi喜歡稱為原子的微小粒子的想法，他在1660年代提出光是由這些粒子組成的。

這個想法后來得到了艾薩克·牛頓的支持。他認為光粒子從光源向各個方向發(fā)出，當波彎曲時會抑制波的行為，并且光會直線傳播。他的理論解釋了表面反射，但在光線彎曲穿過材料方面遇到了困難。

牛頓認為，由于更強的引力，輕粒子在密度較大的物質(zhì)中加速，記錄在1704年的“Opticks”中。

盡管它很受歡迎，但這一理論面臨著挑戰(zhàn)，特別是在解釋偏振等現(xiàn)象方面——光波是如何排列的。

艾蒂安-路易·馬魯斯étienne-Louis Malus和讓-巴蒂斯特·比奧Jean-Baptiste Biot在1810年和1812年使用數(shù)學來支持牛頓的極化粒子理論。當時，許多人將偏振視為支持光粒子性質(zhì)的證據(jù)。

光如波

羅伯特·胡克Robert Hooke在他1665年的著作《顯微文字》Micrographia中發(fā)展了一種“脈沖理論”來解釋顏色的起源。他在觀察九中將光的傳播比作水中的波浪。

到1672年，胡克提出光的振動可以垂直于其傳播方向?？死锼沟侔病せ莞笴hristiaan Huygens于1678年提出了光的數(shù)學波動理論，并將其發(fā)表在1690年的著作《光論》中。

惠更斯提出，光在他稱之為發(fā)光以太的介質(zhì)中以一系列波的形式向各個方向發(fā)射。根據(jù)這一理論，由于波不受重力的影響，因此假設(shè)它們在進入密度較大的介質(zhì)時會減慢速度。

托馬斯·楊Thomas Young在1800年提出的光波動理論預測，光波可以相互干擾，就像聲波一樣。楊的衍射實驗表明，光的行為表現(xiàn)為波。

棱鏡分散光線，描繪了各種波長的光

他還提出，不同波長的光會產(chǎn)生不同的顏色，用眼睛中的三色受體來解釋色覺。波浪理論的支持者萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler）在1746年認為，衍射可以更好地用波來解釋。

1816年，安德烈-瑪麗·安培（André-Marie Ampère）與奧古斯丁·讓·菲涅耳Augustin-Jean Fresnel分享了一個想法，即如果光是橫波，則可以用波動理論來解釋光的偏振。

菲涅耳獨立地發(fā)展了他的光波動理論，并于 1817 年將其提交給科學院。西蒙·丹尼斯·泊松SiméonDenis Poisson為菲涅耳的工作增添了新的內(nèi)容，為支持波動理論并挑戰(zhàn)了牛頓的微粒理論創(chuàng)造了令人信服的論據(jù)。

光的偏振

到1821年，菲涅耳在數(shù)學上證明，只有當光完全橫向，沒有任何縱向振動時，偏振才能用波動理論來解釋。然而，波動理論的弱點是需要一種類似于聲波的介質(zhì)。

惠更斯在1678年提出的稱為發(fā)光以太的假想物質(zhì)在19世紀后期由于邁克爾遜-馬利實驗而受到質(zhì)疑。

牛頓的微粒理論表明，光在密度較大的介質(zhì)中傳播得更快，而波動理論則相反。當時，精確測量光速具有挑戰(zhàn)性。

萊昂·福柯（Léon Foucault）在1850年實現(xiàn)了足夠精確的測量，支持了波動理論，并導致了經(jīng)典粒子理論的放棄，直到20世紀才部分重新浮出水面。

橋接光和電磁

法拉第旋轉(zhuǎn)器是一種利用法拉第效應旋轉(zhuǎn)光偏振的裝置。當光在沿其長度存在靜態(tài)磁場的情況下穿過材料時，就會發(fā)生這種效應。

1845年，邁克爾·法拉第Michael Faraday做出了一項重大發(fā)現(xiàn)，稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。當磁場的方向影響偏振光穿過某些材料的方式時，就會發(fā)生這種情況。

法拉第認為這表明光和電磁之間存在聯(lián)系。1846年，他猜測光可能是沿著磁力線傳播的擾動。然后，在1847年，他提出光是一種電磁學的高頻振動，即使沒有像以太這樣的介質(zhì)，也可以移動。

電磁輻射由電磁波組成，電磁波是電場和磁場的同步振蕩

法拉第的想法啟發(fā)了詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）研究電磁輻射和光。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波可以以恒定的速度在太空中傳播，與光速相同。

他在 1862 年寫了這篇文章，并于 1873 年出版了《電與磁論》，用數(shù)學解釋了電場和磁場，稱為麥克斯韋方程組。海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）后來通過在實驗室中制造和檢測無線電波證實了麥克斯韋的理論，表明這些波的行為類似于可見光。

普朗克、愛因斯坦和光量子的誕生

1900年，馬克斯·普朗克提出了一個開創(chuàng)性的想法來解釋黑體輻射。他認為，雖然光的行為像波，但它只能獲得或失去與其頻率相關(guān)的離散能量。

普朗克將這些離散的光能包命名為“量子”，源自拉丁語，意思是“多少”。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在1905年利用光量子的概念來闡明光電效應，提出這些量子具有有形的存在。

1923年，亞瑟·霍利·康普頓（Arthur Holly Compton）證明，在從電子散射的低強度X射線中觀察到的波長偏移，稱為康普頓散射，可以用X射線的粒子理論來解釋，而不是波動理論。

1926年，吉爾伯特·劉易斯（Gilbert N. Lewis）為這些光量子粒子創(chuàng)造了“光子”一詞。

歸根結(jié)底，現(xiàn)代量子力學理論在某種意義上將光描繪成粒子和波，同時也承認它是一種現(xiàn)象，并不完全屬于任何一類。

現(xiàn)代物理學認為光是可以用數(shù)學來描述的東西，適合于粒子或水波等宏觀隱喻，但它仍然是無法完全掌握的東西。

例如，電磁輻射，包括參與康普頓散射的無線電波和X射線，在較低頻率下表現(xiàn)出類似于經(jīng)典波的行為，在較高頻率下表現(xiàn)出類似于經(jīng)典粒子的行為，但并不完全符合任何一種模型。

可見光落在中頻范圍內(nèi)，可以使用波或粒子模型或有時兩者兼而有之進行實驗描述。

2018年2月，科學家報告發(fā)現(xiàn)了一種新形式的光，可能涉及極化激元。這一發(fā)現(xiàn)為量子計算機的發(fā)展帶來了希望。

洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員在一張快照中捕捉到光的雙重性質(zhì)

洛桑聯(lián)邦理工學院EPFL的科學家們已經(jīng)成功地捕捉到了這種雙重行為的首次快照。

在一項開創(chuàng)性的方法中，洛桑聯(lián)邦理工學院的研究人員成功地拍攝了有史以來第一張同時展示波和粒子特性的光快照。這一重大成就已發(fā)表在《自然通訊》上。

在洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的Fabrizio Carbone的領(lǐng)導下，一個研究小組進行了一項開創(chuàng)性的實驗，使用電子對光進行成像。在一個非凡的轉(zhuǎn)折中，研究人員成功地捕捉到了同時表現(xiàn)出波和粒子特征的光的單一快照。

在實驗中，一束小激光照射到一根細小的金屬線上，使其帶電粒子振動。就像高速公路上的汽車一樣，光線沿著電線雙向傳播，在波浪相遇的地方產(chǎn)生駐波。

這個駐波成為光源，在導線周圍傳播。為了捕獲它，電子流被發(fā)送到靠近導線的地方，與受限光相互作用。

電子要么加速，要么減速，通過使用超快顯微鏡來跟蹤這一點，科學家們可以看到駐波，表明光的作用就像波一樣。

這種現(xiàn)象不僅說明了光的波狀特性，同時也展示了其粒子性質(zhì)。當電子靠近駐波時，它們會與光的粒子或光子相互作用。

這種相互作用會影響它們的速度，導致它們移動得更快或更慢。速度的變化被觀察到為電子和光子之間的能量“包”（量子）的交換，表明納米線上的光表現(xiàn)為粒子。

Fabrizio Carbone表達了該實驗的重要性，他說：“這個實驗表明，我們第一次可以直接拍攝量子力學及其悖論性質(zhì)。

通過雙縫探究光的本質(zhì)

是波還是粒子？

很久以前，科學家們就光爭論不休——有人說它是波浪（就像水中的漣漪），也有人說它是微小的粒子。

為了解決這個問題，一個名叫托馬斯·楊（Thomas Young）的聰明人在1801年進行了雙縫實驗。

現(xiàn)在，想象一下你有一堵有兩個縫隙的墻。如果你向它扔石頭（顆粒），你會期望另一邊有兩堆石頭，對吧？

好吧，楊用光做到了這一點。但他得到的不是兩堆，而是波浪形的圖案，就像池塘里的漣漪。這很奇怪，因為這意味著光的行為像波，而不是粒子。惠更斯，那個浪潮家伙，似乎在做些什么。

現(xiàn)在，快進到今天，我們?nèi)匀粺o法理解它。就連超級聰明的物理學家理查德·費曼Richard Feynman也稱其為量子物質(zhì)的一大謎團。

雙縫實驗不斷告訴我們，光，甚至物質(zhì)，都無法決定它們是波還是粒子——就像他們和科學家玩了 200 多年的捉迷藏一樣！

為了進一步解釋，想象一下將光線照射在具有兩個平行狹縫的墻壁上，為簡單起見，讓我們假設(shè)這束光只有一個波長。

當光線穿過狹縫時，每個狹縫基本上都成為新的光源。在屏障的另一側(cè)，來自每個狹縫的光衍射并與來自另一個狹縫的光結(jié)合，從而產(chǎn)生干擾。

雙縫實驗 圖片來源：PASCO

根據(jù)石溪大學的說法，任何波，無論是聲波、光波還是水中的波，都會產(chǎn)生干涉圖案。當波峰遇到波谷時，它們會相互抵消，稱為相消干涉，從而產(chǎn)生暗帶。

相反，當波峰遇到波峰時，它們會相互放大，稱為相長干涉，形成明亮的波段。暗帶和亮帶的組合形成了在狹縫對面的傳感器屏幕上可見的干涉圖案。

這種干涉模式為楊提供了得出結(jié)論所需的證據(jù)，即光的行為為波，這與牛頓關(guān)于它是粒子的建議相矛盾。

如果您要使用沙?；蚱渌w粒來復制實驗，并將它們穿過狹縫。

然而，故事并沒有就此結(jié)束。光稍微復雜一些，要真正理解它的奇怪之處，我們還需要探索粒子會在傳感器場上產(chǎn)生什么圖案。

如果您要使用沙?；蚱渌w粒來復制實驗并將它們穿過狹縫，您將在傳感器屏幕上觀察到明顯的圖案。每個通過狹縫的粒子最終都會排成一條線，大致位于相同的位置（根據(jù)粒子穿過狹縫的角度略有分布）。

波和粒子產(chǎn)生明顯不同的模式，這使得區(qū)分兩者似乎很簡單，對吧？

好吧，當嘗試使用被稱為光子的微小光粒子進行相同的實驗時，雙縫實驗發(fā)生了有趣的轉(zhuǎn)折，將我們帶入了量子力學的特殊領(lǐng)域。

光子是光中最微小的組成部分，是亞原子粒子。在原子尺度上進行雙縫實驗涉及使用光子而不是沙粒。

當你關(guān)閉一個狹縫并射出光線時，它看起來像屏幕上的微小顆粒。這表明光的行為類似于粒子。

但是，如果你打開兩個狹縫，你會看到一個干涉圖案，就像波浪一樣。現(xiàn)在，如果你一個接一個地發(fā)送光子，期待粒子或波，就會發(fā)生一些奇怪的事情。

最初是隨機的，它們最終會形成干涉圖案。每個光子都像波的一部分，即使它們一次發(fā)送一個。就好像每個光子都以某種方式“知道”有兩個狹縫。

如何？它是否一分為二，在狹縫后重新連接，然后撞擊傳感器？為了進行調(diào)查，科學家們設(shè)置了一個探測器來確定光子穿過哪個狹縫。

當我們一個接一個地發(fā)射光子時，探測器顯示每個光子都經(jīng)過一個狹縫。沒什么大驚喜的。但是當我們檢查屏幕時，就像粒子被發(fā)送了，而不是波。觀察光子使它們像粒子一樣行動，而不是形成波狀圖案。

現(xiàn)在，如果我們保留探測器但偷偷關(guān)閉它，就會發(fā)生一些奇怪的事情。相同的設(shè)置和相同的光子，但現(xiàn)在它們創(chuàng)造了一個類似波的圖案，而不是粒子圖案。

當我們不看時，原子似乎像波浪一樣起作用，但當我們觀察它們時，它們會變成粒子。如何？這是諾貝爾獎的謎團。

《維格納的朋友》是一個思想實驗。維格納把他的朋友和貓放在盒子里。外部觀察者認為系統(tǒng)處于“死”和“活”的混合狀態(tài)。

然而，維格納的朋友認為這只貓還活著。問題是，為什么維格納和他的朋友對波函數(shù)有不同的看法？

在 1930 年代，有人認為人類意識可以影響量子力學。

數(shù)學家約翰·馮·諾依曼John Von Neumann在他1932年出版的《量子力學的數(shù)學基礎(chǔ)》The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics一書中首次提出了這一點。

在1960年代，理論物理學家尤金·維格納Eugene Wigner引入了一個被稱為“維格納的朋友”的思想實驗，這是量子物理學中的一個悖論，描述了參與實驗的兩個人的狀態(tài)。

這個想法表明，實驗者的意識可以影響結(jié)果，被稱為馮·諾依曼-維格納解釋。雖然精神上的解釋仍然得到少數(shù)人的認可，但科學界的大多數(shù)人卻不屑一顧。盡管研究仍在進行中，但科學家們還沒有找到一個更合理的理論。

對于一個更合理的理論，科學家們發(fā)現(xiàn)自己感到困惑。此外，更令人驚訝的是，如果你安排雙縫實驗來檢測光子在撞擊傳感器屏幕后穿過哪個狹縫，即使光子撞擊屏幕時沒有被檢測到，屏幕上仍然會出現(xiàn)類似粒子的圖案。

這一結(jié)果表明，未來檢測光子會影響它過去在屏幕上創(chuàng)建的圖案。這個實驗被稱為量子橡皮擦實驗，在費米實驗室的這段內(nèi)容豐富的視頻中得到了更詳細的闡述。

對物質(zhì)的粒子波二象性如何運作的完整理解仍然難以捉摸，這標志著它是量子力學中深刻的奧秘之一。

審核編輯：劉清