量子力學(xué)的詭異之根源在于“波粒二象性”。
要揭開量子力學(xué)之迷，不得不先從了解光的波粒二象性開始。
如果量子力學(xué)是一部傳奇的故事，光的“波”“?！敝疇幘褪撬那皞?，我們就從這場跨越三個(gè)世紀(jì)的“論戰(zhàn)”開始吧......
首先，請閉上眼睛，先回顧一下這場“ 回腸蕩氣“”波瀾壯闊”的畫面：
古希臘時(shí)代人們就開始思考關(guān)于光的本質(zhì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察和元素說的影響，那時(shí)人們認(rèn)為光是一粒一粒的。
17世紀(jì)初，笛卡爾第一次提出了光是波的看法，加上惠更斯的支持，整個(gè)17世紀(jì)人們主要的觀點(diǎn)就是，光是一種波。
18世紀(jì)初的1704年，牛頓發(fā)表了《光學(xué)》，他說光是一種粒子。于是整個(gè)18世紀(jì)人們幾乎都承認(rèn)，光是一種粒子。
19世紀(jì)初的1803年，托馬斯.楊做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，叫雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，它證實(shí)光是一種波。加上后來麥克斯韋電磁理論的證實(shí)與支持，于是人們在整個(gè)19世紀(jì)里都相信，光還是一種波。
20世紀(jì)初的1905年，愛因斯坦的光電效應(yīng)理論說明，光也可以是一樣粒子，于是人們都被搞懵了……
真是各領(lǐng)風(fēng)騷一百年??！
都爭了300來年，還是別爭了，現(xiàn)在大家都相信光不僅是一種波，也可以是一粒子，還可以同時(shí)是一種粒子和波，這就是光的“波粒二象性”。
幾百年來這場爭論是如何展開的？他們都爭了些啥？
在古希臘時(shí)代，人們只是憑生活的經(jīng)驗(yàn)去理解，為何光只能走直線？光遇到了障礙物怎么不會(huì)繞過去呢？光在水中為什么會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象？....等等。這些觀察到的現(xiàn)象加上當(dāng)時(shí)元素說的影響，人們認(rèn)為光應(yīng)該是一顆顆非常小的“光原子”組成。這種理論我們稱之為光的“微粒說”。當(dāng)時(shí)歐幾里得的《反射光學(xué)》也論述到光的直線傳播原理和光的反射原理。
光的反射
直到17世紀(jì)初，笛卡爾才第一次提出了光是波的看法，在他的《折光學(xué)》中最先提出了這樣一種可能性：光是一種壓力，在媒介里傳播。他認(rèn)為既然聲音是一種波，為什么光就不能夠是一種波呢？
后來意大利的數(shù)學(xué)教授格里馬弟做了個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是用一束光通過兩個(gè)小孔投射到屏幕上，這時(shí)在屏幕上出現(xiàn)了一些明暗條紋的圖案。這讓他想起了水波的衍射。于是他得出結(jié)論，光應(yīng)該也象水波一樣是一種在介質(zhì)中傳播的波。衍射也首次成為了光是一種波的有力證據(jù)。
雙孔干涉實(shí)驗(yàn)
光的波動(dòng)說，后來還得到了當(dāng)時(shí)名氣比較大的胡克的支持，他在1665年出版的《顯微術(shù)》中明確支持了光是一種波的說法。他觀察了肥皂泡里映射出的色彩和通過薄云母片產(chǎn)生的光輝，斷定光就是一種波。
直到1672年，牛頓出現(xiàn)了，他初試牛刀。牛頓讓光通過三棱鏡看到不同顏色的光，這些不同顏色的光通過透鏡又可以聚焦為白光。這個(gè)光的散射實(shí)驗(yàn)，讓牛頓堅(jiān)信，光是一種微粒，這些不同的顏色就是不同的微粒。他給英國皇家學(xué)會(huì)秘書奧登伯格寫信介紹了他的理論，當(dāng)時(shí)并沒引起多大的反響。
牛頓在做色散實(shí)驗(yàn)
在惠更斯的有力反擊下。光的波動(dòng)說還是占據(jù)著很大優(yōu)勢。牛頓的微粒理論暫時(shí)還得不到更多人的支持。波動(dòng)說認(rèn)為，如果光是一種粒子，那么光在交差時(shí)，為什么不因?yàn)榕鲎捕淖兎较蚰?？惠更斯引入“波前”等概念成功的用波的理論證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。這對于“微粒”說方面可說是沉重的打擊。1690年，惠更斯發(fā)表了他的著作《光論》標(biāo)志著波動(dòng)說在這個(gè)階段到達(dá)了一個(gè)興盛的頂點(diǎn)。波動(dòng)說在整個(gè)17世紀(jì)幾乎都是占了上風(fēng)。
但是，惠更斯的波動(dòng)理論也有他的缺陷。波動(dòng)說認(rèn)為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。那么這種介質(zhì)是什么？當(dāng)時(shí)惠更斯用的是“以太”來作為應(yīng)付，但是以太是否存在，當(dāng)時(shí)也沒有證實(shí)。另外，惠更斯認(rèn)為光是一種橫波，這就沒法解釋光的偏振現(xiàn)象。
十八世紀(jì)初的1704年，牛頓終于重拳出手了，他的煌煌巨著《光學(xué)》一出版，波動(dòng)說幾乎已是搖搖欲墜。
牛頓問：如果光是一種波，他遇到障礙物時(shí)，為什么沒像聲波一樣繞開呢？牛頓認(rèn)為在白光中已經(jīng)存在了各種色，白光可以說是不同色的各種微粒的混合體。在他的色散實(shí)驗(yàn)中，棱鏡把它們各自分開了。
關(guān)于折射現(xiàn)象，牛頓的解釋是，根據(jù)力學(xué)理論，由于玻璃的粒子所發(fā)出的力作用在光的粒子上，所以光的方向才會(huì)發(fā)生改變。
但是牛頓粒子理論也有自已的破綻，他沒法很好的解釋衍射中出現(xiàn)的種種現(xiàn)象，也沒法回答兩束光交差碰撞時(shí)，為什么沒有因碰撞而改變方向。
甚至他發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)，還為他擺上了一個(gè)烏龍。牛頓環(huán)是一種光的干涉圖樣。1657年，由牛頓首先進(jìn)行了定量測量。平凸透鏡與玻璃平板組合時(shí)，用單色光照射透鏡與玻璃板，可以觀察到一些明暗相關(guān)的同心圓環(huán)。這個(gè)衍射現(xiàn)象是波動(dòng)說的有力證據(jù)。但是當(dāng)時(shí)牛頓卻用微粒說去勉強(qiáng)的解釋。
牛頓環(huán)
雖然牛頓的微粒說還有很多不完備之處，但是，那時(shí)的牛頓已經(jīng)是出版了《原理》的牛頓，他已經(jīng)發(fā)明了微積分、還是國會(huì)議員、鑄幣局的局長和英國皇家學(xué)會(huì)主席。
這些光環(huán)，讓牛頓的微粒說，成為了整個(gè)18世紀(jì)的主流理論，波動(dòng)說幾乎是處于被動(dòng)挨打的局面。
正當(dāng)微粒說沉浸于水月靜好，唯我獨(dú)尊之時(shí)，半路殺出個(gè)程咬金。這個(gè)人就是托馬斯.楊。他做了個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，就是楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在2002年，曾被《物理世界》評(píng)為十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)并且排名第一。
托馬斯.楊
當(dāng)時(shí)因?yàn)闆]有激光，楊是用蠟燭來做這實(shí)驗(yàn)的。就是在一個(gè)遮擋板的中間開兩條縫，讓燭光透過兩個(gè)縫隙之后，打在后面的屏幕上，會(huì)形成一片非常漂亮的明暗相間的條紋。
雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
這些明暗相關(guān)的條紋的形成，我們可以從水波中理解，在平靜的湖面上于不同的地方扔兩個(gè)小石塊，形成的兩個(gè)水波擴(kuò)散開來，當(dāng)這兩個(gè)水波相遇時(shí)，波峰和波峰重疊，就會(huì)形成更大的波峰，當(dāng)波峰和波谷相遇，就會(huì)相互對消。這個(gè)現(xiàn)象就是波的“干涉”。
水波干涉
那么光通過兩條縫也能形成這個(gè)明暗相間的干涉條紋，證明光是一種波。這個(gè)就成為光是一種波的最有力證據(jù)。楊于1803年發(fā)表了他的論文報(bào)告，闡述了如何用光的干涉效應(yīng)來解釋牛頓環(huán)和衍射的現(xiàn)象，還計(jì)算出了波的長度。
楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)之后，菲涅爾再次用他的理論解釋了光的衍射現(xiàn)象。支持微粒說的泊松并不相信菲涅爾，他認(rèn)為按菲涅爾的理論，當(dāng)光照射在一定大小的圓盤上時(shí)，會(huì)在后面的光屏上出現(xiàn)環(huán)狀的衍射條紋，并且在圓心處出現(xiàn)一個(gè)亮斑，這是不可思議的！
菲涅爾
然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)真的被阿拉果做了出來，他用單色光照射在寬度小于光源波長的小圓盤上時(shí)，真的會(huì)出現(xiàn)互為圓心的衍射條紋，并且在圓心處有一個(gè)亮斑。
泊松亮斑
事實(shí)面前泊松啞口無言，在微粒說方面，牛頓環(huán)本來就自擺烏龍，泊松這次又在自已的球門踢進(jìn)了一球。
波動(dòng)論方太高興了，為了記下泊松這個(gè)大功勞，慷慨的把這個(gè)現(xiàn)象稱為“泊松亮斑”。
波動(dòng)說這個(gè)時(shí)期似乎吃了靈丹妙藥，支持它們的實(shí)驗(yàn)一個(gè)接一個(gè)，勢如破竹。
菲涅爾假設(shè)光是一種橫波（惠更斯當(dāng)時(shí)認(rèn)為是縱波），就是象水波那樣，波振動(dòng)的方向和傳播的方向是垂直的。而縱波就象聲波，波振動(dòng)的方向與傳播的方向一致。菲涅爾的橫波理論解決了當(dāng)時(shí)波動(dòng)說中存在的“光的偏振”問題。
傅科通過實(shí)驗(yàn)又證實(shí)了光在水中的速度小于真空中的速度。按微粒說理論，光在水中的速度比真空中的速度快。傅科的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，簡直是判了粒子說的死刑。
1856年，麥克斯韋發(fā)表了他的第一篇電磁理論，并于1873年出版了他那著名的《電磁通論》一書。從此，波動(dòng)說幾乎就奠定了它的統(tǒng)治地位了。
麥克斯韋的電磁理論認(rèn)為，光就是一種電磁波，它是由引起電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的同一介質(zhì)中的橫波組成的。電和磁（電磁波）可以似波一樣在真空中傳播而不需要任何介質(zhì)，并且可測算出電磁波的速度和光速一樣。
麥克斯韋
1888年赫茲通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋的理論。光是一種波的理論至此取得了決定性的勝利。但是，波動(dòng)說的勝利還是個(gè)暫時(shí)性的勝利。20世紀(jì)初的1905年，愛因斯坦終于出手了！
愛因斯坦是怎么出手的？下一篇量學(xué)力學(xué)的誕生我們再說。請關(guān)注醬子聊科學(xué)。
聯(lián)系客服
