第十八課
問世間“光”為何物
——光的行為與三次波粒戰(zhàn)爭（下）
主講人
《云里 · 悟理》系列微課簡介
在這里遇見新物理，在這里洞見新未來。我是中科院物理所副研究員王霆，在這一課給大家講解自然界中非常有意思的一個元素——光。
第二次波粒戰(zhàn)爭
–波動學(xué)的大獲全勝
01
第一次波粒戰(zhàn)爭以牛頓學(xué)說勝出告終，隨著牛頓學(xué)說盛行之后過了幾十年，在1801年，這個時候出現(xiàn)了另外一個紛爭者——托馬斯?楊。他做出了光的干涉現(xiàn)象實驗，并成為第一個提出了干涉理論的人。
托馬斯?楊
光的干涉實驗
如圖所示，一個點光源形成擴散波，當(dāng)這個波進入兩個分開的狹縫，狹縫距離很近時會發(fā)生干涉。干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，基本認為托馬斯?楊驗證了光一定是一種波動的形態(tài)。為什么會產(chǎn)生干涉？任何的波像水波都是一種波的形式，像一個正弦函數(shù)的波形，當(dāng)正弦波發(fā)生一個相位的偏移時，比如半周期的相位偏移，會發(fā)現(xiàn)波的峰值和下一束波的谷底重疊。那么這個重疊導(dǎo)致兩個波相互抵消，當(dāng)兩個波是同相位的，那么它的波峰和波峰、谷底和谷底會重疊，分別產(chǎn)生光的增強和光的衰減。這是為什么兩束相干光發(fā)生干涉后會在遠處的成像板呈現(xiàn)出明暗明暗的周期性的圖樣。
托馬斯?楊開始逐漸推翻牛頓關(guān)于光的粒子性理論。在1818年的時候，出現(xiàn)了一個非常著名的科學(xué)家，他對光學(xué)的貢獻也是非常大的，他就是菲涅爾。牛頓當(dāng)時提出一個現(xiàn)象——牛頓環(huán)，它發(fā)現(xiàn)光透過一個透鏡或者不均勻的介質(zhì)后會產(chǎn)生彩色的環(huán)狀光斑，這個現(xiàn)象在生活中也很常見，當(dāng)你按壓手機膜這種透明的薄膜的時候，會產(chǎn)生一個彩色的光斑，然而牛頓環(huán)沒有辦法通過光的粒子性來解釋。菲涅爾在研究光的時候，進行了單孔衍射實驗，這個實驗就徹底解釋了牛頓環(huán)現(xiàn)象。
牛頓環(huán)
如圖所示，牛頓環(huán)是不同的波相互之間產(chǎn)生了自干涉或者自相干的作用，當(dāng)你看一個遠景的時候，會發(fā)現(xiàn)不同的光斑，這些環(huán)狀的光斑基本上為波動學(xué)的支持者打了一針強心劑。菲涅爾提出單孔衍射后，泊松本來是一個粒子學(xué)派的支持者，泊松認為如果光具有波動性，那么在一個點光源前面放一個圓盤狀的遮擋物，如果光是粒子，圓盤的后方一定是不會有光的，而如果光是波，它既然自相干，那么這束光過去之后一定會在圓盤后面的正中央產(chǎn)生一個亮點，由于光多重相互干涉的作用，會產(chǎn)生一個光斑，所以他認為菲涅爾必須證明這一點，才能證明光的波動性成立。
惠更斯-菲涅爾原理
泊松提出這個實驗是因為他覺得菲涅爾根本不可能做出這個實驗，菲涅爾一開始其實并沒有想過這個問題，但既然泊松提出了猜想，他就必須要佐證這件觀點。因此他做了這個實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個光暈當(dāng)中確實有一個亮點，這恰巧完全地支持了波動說。而且菲涅耳因為泊松提出的這個概念，他佐證了之后為了氣一氣泊松還給它起了個名字叫泊松光斑。這個差點沒把泊松給氣死，這也是歷史上非常有意思的一個小故事。
泊松光斑
第二次波粒戰(zhàn)爭中，波動學(xué)漸漸占了上風(fēng)，這個時候出現(xiàn)了一個非常非常偉大的物理學(xué)家——麥克斯韋。1873年麥克斯韋就提出了算是近代對光理解最深刻的一個公式——麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組在物理學(xué)界被公認是一個美得令人窒息的方程組，因為它徹底解釋了電磁波的產(chǎn)生和傳播機理，而且也為波粒二象性的研究做出了非常大的貢獻。
麥克斯韋方程組
麥克斯韋方程組它具體講了些什么呢？這四個公式里第一個部分是對電場的定義，一個閉合平面內(nèi)電場積分的總量等于面內(nèi)電荷的總量，這是根據(jù)高斯定律所推導(dǎo)出來的。
第二個部分是對面內(nèi)磁場的定義，閉合面內(nèi)磁場的積分永遠是0，因為觀察發(fā)現(xiàn)任何磁場的北極永遠離不開南極，南北極是共同存在的，因此任何一個閉合區(qū)間內(nèi)通過的磁通量和返回的磁通量是等同的，它們相互抵消，最終導(dǎo)致任何閉合面內(nèi)的磁場的積分都為零。
第三個部分是麥克斯韋對電場進行了一個新的定義，磁通量在閉合線圈內(nèi)隨時間變化可以激發(fā)產(chǎn)生電場，它解釋了電場與變化的磁場和它通過磁通量的關(guān)系。
第四個部分是磁場和電場的關(guān)系，它跟法拉第的想法不一樣，法拉第認為磁場是不能完全由電場產(chǎn)生，電可以產(chǎn)生磁但是磁不能完全由電產(chǎn)生。而這第四個部分說明在一個閉合圈內(nèi)的磁場可以完全由線圈內(nèi)的電流以及額外的變化電流產(chǎn)生的磁場疊加產(chǎn)生的。這四個方程堪稱為經(jīng)典，麥克斯韋將電融于磁、磁融于電的理論完全融合出來，并提出了電磁波的概念。
現(xiàn)在我們知道電磁波是電場和磁場的相互作用，始終以電場90°垂直于磁場的形式向前傳播。麥克斯韋的理論以及非常完美的公式為波動學(xué)說又添上了精妙的一筆。在如今信息時代，所有的光通信、電通信以及無線通信也全部都是基于麥克斯韋的電磁波的方程組建立的，他堪稱是電磁波領(lǐng)域非常杰出的物理學(xué)家。
電磁波的傳播
第二次波粒戰(zhàn)爭，隨著麥克斯韋提出的這個完美的公式，以波動學(xué)勝出而告終?？茖W(xué)界非常有意思，當(dāng)波動學(xué)占優(yōu)勢之后，大家全部都站回了波動學(xué)這一邊，開始支持波動學(xué)，反對粒子論了。
這時在物理學(xué)的晴空下飄來了兩朵烏云，其中一個是邁克爾遜-莫雷實驗，他證明了以太不存在，光速不變。這個實驗裝置是這樣的，一束光穿過一個分波器，光被分為兩束，一束光會向上面的一個鏡子傳播，另外一束光會向右面的一個鏡子傳播。
邁克爾遜-莫雷實驗
根據(jù)亞里士多德的理論，自然界當(dāng)中無處不存在一種叫以太的物質(zhì)，當(dāng)?shù)厍蜻\動的時候它會產(chǎn)生一個隨著地球自轉(zhuǎn)或者公轉(zhuǎn)的以太風(fēng)，所有的物質(zhì)都在這個以太里，在這個過程中，它會測出隨著地球在移動的時候的速度。在這個實驗里，這束光被分為向上和向下的方向，“光速”會有差別，這個時候會發(fā)現(xiàn)有一側(cè)的速度超過了光速。根據(jù)牛頓力學(xué)的相對運動原理，一個自然人乘坐在高鐵上，高鐵以200公里/小時運動的時候，如果人沿著高鐵前進的方向以10公里/小時的速度在高鐵上行走，以地面為參照物，人會相對地面以210公里/小時的速度在運動。但是這個理論套用到光學(xué)上發(fā)現(xiàn)并不適用，后來觀察發(fā)現(xiàn)光速是絕對的，也是由于這個實驗導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的提出。
第三次波粒戰(zhàn)爭
–量子革命的到來
02
另外一朵烏云就是黑體輻射。在波動理論，黑體輻射的強度在紫外區(qū)域也就是短波區(qū)域會發(fā)散至無窮大，這和實驗現(xiàn)象嚴重違背，黑體輻射實驗觀察到一直存在一個短波長。根據(jù)實驗曲線擬合的公式，短波長是以波的形式存在，而長波長是以粒子的形式存在，這兩個公式不能達到統(tǒng)一。這些不一致引起了量子革命，也就是第三次波粒戰(zhàn)爭。第三次波粒戰(zhàn)爭是光子的波動性和粒子的戰(zhàn)爭，也是波粒戰(zhàn)爭的終章。
根據(jù)波動學(xué)說，在黑體輻射中得到的是一個長波理論，它只適用于長波，瑞利-金斯公式只適用于長波，在短波的時候就會發(fā)現(xiàn)黑體溫度會變得無限大，這個是跟實驗是不符合的。前面也提到了波長越短，能量越大，輻射能量也會越大。除此之外麥克斯韋方程組、各種干涉和衍射實驗以及泊松亮斑都證明了波動學(xué)說的正確性。
而粒子軍團也有一些重要的證據(jù)，一是黑體輻射，從粒子角度提出了維恩公式，維恩公式是完全符合黑體輻射短波現(xiàn)象的公式，但是它唯一缺點是不適用于長波。這時量子物理的奠基人普朗克出現(xiàn)了，他認為所有的這些粒子的能量是等均分的，不是連續(xù)的，而是一份一份的。他提出的概念伴隨著普朗克常數(shù)的產(chǎn)生，每一個普朗克常數(shù)代表的是一份能量子，這個概念與波動性完全不一樣。他認為無論是電子能級的變化或者光子能級的變化都是一份一份等份的，而不是像波動學(xué)說認為的波都是連續(xù)性地傳播的，因此這也是支持粒子學(xué)說中非常重要的依據(jù)。
光電實驗
直到1905年，愛因斯坦對光電實驗進行了解釋，這是近代非常重要的一個實驗。在光電實驗中，他提出了光其實是一種粒子，這個粒子叫做光子，光子帶有普朗克所說的等均分的粒子能量，這就是光子的能量，同時他提出了非常著名的光電能量公式：E=hυ。
后來康普頓實驗上證明了光電效應(yīng)，他使用X射線照射金屬板，通過在金屬板上測量所激發(fā)出來的電子，觀察到當(dāng)光子打到金屬板上的時候激發(fā)了電子，使得電子以等同的能量從另外一個發(fā)射角出去，伴隨著這個電子，還有與入射光等波長的光子出射。除此之外，他還發(fā)現(xiàn)了一個特殊的現(xiàn)象，就是在不同的入射光角度下，它還會激發(fā)出不同波長的光子發(fā)散出去。這就是康普頓在光電效應(yīng)基礎(chǔ)上，做的一個升級版的實驗，也更證明了光的粒子性。因為它如果不是光子的話，那么它無法激發(fā)這些粒子以及不同其他波長的光子。此時粒子軍團和波動軍團處在僵持階段，直到海森堡提出了不確定性原理。
海森堡認為所有物質(zhì)的動量、能量和它的位置是不能同時可測準(zhǔn)的，也就是說當(dāng)位置可測準(zhǔn)的時候，動量一定不可測準(zhǔn)，動量可測準(zhǔn)，那位置不可測準(zhǔn)，所測的位置越精準(zhǔn)，動量的可測性也就越差，這個建立了波粒二象性的基礎(chǔ)。
德布羅意提出了物質(zhì)波的概念，他認為既然波動性和粒子性爭論不斷，不如將其統(tǒng)一，利用德布羅意公式假設(shè)了物質(zhì)既有波動性又有粒子性。但是當(dāng)時這個理論無法證實，還是薛定諤方程證實了這個理論。提到薛定諤大家肯定都聽過薛定諤的貓，而他的貢獻遠不止于此。在1924年，薛定諤通過數(shù)學(xué)的方式統(tǒng)一了波粒二象性，他用數(shù)學(xué)公式解釋了波動性和粒子性是同時存在的。薛定諤方程其實是一個牛頓的能量守恒公式，認為動量和能量永遠處在一個守恒的模式下。
公式右側(cè)代表了粒子的波動性，而不考慮粒子的性質(zhì)，他實現(xiàn)了將波動性和粒子性從數(shù)學(xué)上完全的統(tǒng)一。至此波粒戰(zhàn)爭大家算達成了共識，獲得一個雙贏的局面，這是波粒戰(zhàn)爭的終章：光具有波粒二象性，既是光子又是一個電磁波。
決戰(zhàn)量子之巔
這是決戰(zhàn)量子之巔會議的照片，基本上波爾、海森堡、普朗克以及在波粒戰(zhàn)爭當(dāng)中出現(xiàn)過的知名的科學(xué)家都在這張圖中。大家可能在網(wǎng)上也聽說這應(yīng)該是人類歷史上以來最高智商的一個陣容，也是這幫人在第三次波粒戰(zhàn)爭當(dāng)中實現(xiàn)了波粒二象性的學(xué)說。
光的波粒二象
性的實驗證明
03
波粒二象性到底是如何被實驗證實的？我們已知雙縫干涉實驗證實了光的波動性，光的干涉實驗是這樣進行的：讓平行光先通過單狹縫再通過雙狹縫進行雙縫干涉實驗，可以觀察到當(dāng)打開兩個狹縫的時候會出現(xiàn)兩個光斑，并且出現(xiàn)了明暗變換的紋路。明暗場的變化的機理是什么呢？一束平行光或者平行波進入到雙縫的狹縫里時，它會產(chǎn)生兩束分開的光波，這兩束光波會產(chǎn)生干涉，干涉效果就是在遠場上看到的一個明暗場變化的一個光斑。
除了波動性，還需要證明它的粒子性，這個時候使用一個探測器通過電信號來測量光子的分布，在現(xiàn)有的實驗基礎(chǔ)上，在光源點處加一個濾波片，相當(dāng)于衰減了光子的數(shù)量，讓光子接近于一個一個地打到雙狹縫上，在遠場的探測屏幕上進行采點，會發(fā)現(xiàn)隨著時間增加逐漸出現(xiàn)光斑。隨著時間越來越長，已經(jīng)是完全與干涉光斑一致了，這說明了光的粒子性也是同時存在的。通過這個實驗可以得到結(jié)論：光是具有波粒二象性的。
光子到底是什么？
04
當(dāng)我們知道了光有波粒二象性之后，最后對光子下一個定義。光子到底是什么？首先光子它是一種玻色子。在基本粒子里面分為費米子和玻色子，費米子的特點是帶有1/2或者半整數(shù)倍的自旋，不同的夸克都有不同的特性。具有半整數(shù)倍自旋的是費米子，而玻色子都是具有整數(shù)倍自旋的。光子不同于其它基本粒子，電子、中子等都具有質(zhì)量，而光子是不具備靜止質(zhì)量的。除此之外，光子具有波動性。
物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型
知道了光子的性質(zhì)，我們該怎么利用光子在現(xiàn)在或者未來發(fā)展科技呢？如圖所示，這是現(xiàn)在光和電的應(yīng)用。愛因斯坦提出了光電效應(yīng)之后，我們利用光電效應(yīng)實現(xiàn)了光通信。無論是現(xiàn)在已有的光通信還是未來會使用的5G通信，需要用到很多光信號和電信號的轉(zhuǎn)化，它對未來通訊的發(fā)展，比如量子通訊和量子計算都需要用到光子的這個特性，而它的粒子性和波動性在傳播當(dāng)中。
光和電的應(yīng)用
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