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光究竟是什麼?波粒二象性真的難以理解

光究竟是什麼?波粒二象性真的難以理解

文/袁玉剛 圖/來自互聯網

眾所周知,光具有波粒二象性,也就是說,光既是粒子又是波。但在歷史上,光的粒子說和波動說曾經長期爭執不休。

1637年,笛卡爾在他的《方法論》的附錄《折光學》中提出了兩個假說:一是光是類似於微粒的一種物質;二是光是一種以以太為媒質的壓力。這兩個假說實際上就是粒子說和波動說。所以說,笛卡爾是光的波粒二象性理論的鼻祖。

1655年,義大利波侖亞大學的數學教授格里馬第首先發現了光的衍射現象,推想光可能是與水波類似的一種流體。格里馬第是光的波動學說最早的倡導者。之後,英國科學家波義耳、英國物理學家胡克積極響應。

1660年,法國數學家皮埃爾·伽森荻出版專著,認為光由大量堅硬粒子組成。

1666年,荷蘭天文學家、物理學家和數學家惠更斯提出了波動學說比較完整的理論:光是一種機械波,是一種靠物質載體來傳播的縱向波,物質載體是「以太」;波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。惠更斯由此證明了光的反射定律和折射定律,解釋了光的衍射、雙折射現象和著名的「牛頓環」實驗。

1672年,英國物理學家牛頓在他的論文《關於光和色的新理論》中用微粒說闡述了光的顏色理論,導致牛頓與胡克之間漫長而激烈的粒子說與波動說的爭論。1675年,牛頓認為光是從光源發出的一種物質微粒,在均勻媒質中以一定的速度傳播。

1704年,牛頓出版《光學》,質疑波動說,推廣微粒說。

1882年,德國物理學家施維爾德根據光波學說,對光通過光柵後的衍射現象進行了成功的解釋。

1887年,英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以「以太漂流」實驗否定了以太的存在。佔據優勢的波動說面臨危機。

1801年,懷疑牛頓光學理論的英國物理學家托馬斯·楊進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象,也證明了光是一種波。同年,楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文,解釋了自己的實驗和「牛頓環」實驗,提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

圖1 托馬斯·楊雙縫干涉實驗。

1809年,馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象,發現了光的偏振現象的經驗定律,批駁了惠更斯提出的光是一種縱波的理論,使波動說陷入了困境。

1817年,托馬斯·楊放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法,提出了光是一種橫波的假說,比較成功的解釋了光的偏振現象。

1819年,菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗,再次證明了光的波動說,並且與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

1873年,麥克斯韋出版專著《電磁學通論》,創造性地推導出了全面發映電磁規律的麥克斯韋方程組,預言了電磁波的存在並闡明了它的本質;創立了電磁波的傳輸模型;提出了光的電磁理論。

1888年,德國物理學家赫茲發現光電效應,再一次證明了光的粒子性。並且用實驗證實了電磁波的存在。

1905年3月,阿爾伯特·愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關於光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文,提出光子假設,認為對於時間的平均值,光表現為波動;對於時間的瞬間值,光表現為粒子性。第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一,即波粒二象性。

1919年,英國科學家愛丁頓的兩支考察隊,利用日食的機會觀測到太陽附近的光的偏折角約為1.7秒,證明了光的粒子說。

1921年,愛因斯坦因為「光的波粒二象性」這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。

1921年,康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年,傑默爾和後來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。

至此,光的波動說與微粒說之爭以「光具有波粒二象性」即光粒子的運動軌跡是呈周期性的波而落下了帷幕。

1924年,德布羅意提出「物質波」假說,認為物質和光一樣,都具有波粒二象性,這被後來的電子衍射試驗所證實。

1961年,蒂賓根大學的克勞斯·約恩松用電子來進行雙縫干涉實驗。出人意料的是,在屏幕上出現的並不是兩條亮紋,而是多條明暗相間的干涉條紋,證明電子也具有波粒二象性。

1974年,米蘭大學的梅里教授用電子發射器重做電子雙縫干涉實驗,並且在雙縫的入口安裝了高精度的監視器,可以清晰地看清電子的出入和衍射。

圖2 電子雙縫干涉實驗

但當一個探測器放在兩道平行的狹縫之前以檢測電子的行蹤時,雙縫干涉條紋消失了。

科學家們對此迷惑不解,提出了許多解釋。玻爾解釋說:「電子又是粒子又是波,但每次我們觀察它,它只展現出其中一面,這裡的關鍵是我們『如何』觀察它,而不是它『究竟』是什麼?」有人把探測器比喻為觀察者,說觀察者影響了粒子的行為。有人說是量子效應。

2015年,瑞士洛桑聯邦理工學院科學家成功拍攝出光同時表現波粒二象性的照片,並且認為自然界所有的粒子如光子、電子或是原子都能用一個微分方程,如薛定諤方程來描述。這個方程的解即為波函數,它描述了粒子的狀態。波函數具有疊加性,它們能夠像波一樣互相干涉。

圖3 首幅光的波粒二象性照片

「光具有波粒二象性」被大家接受,但光究竟是什麼?光子的運動軌跡為什麼是波?光可以在真空中傳播,傳播介質是什麼?光是一種橫波,為什麼會直線傳播?光子為什麼會分成兩半並各自穿過一條縫隙呢?

我離經叛道,做出了一個光的物理模型:光既然是粒子,就一定會旋轉;光既然是波,就一定會前進。旋轉著前進的物體軌跡應該是一種螺旋:從側面來看是波,有波長、振幅、頻率,一個波長可以看成一個光量子;從前面來看是一個圓,有圓心、半徑、角速度。這就充分滿足了波粒二象性的條件。

圖4 螺旋

既然光子在做螺旋運動,就一定有一種力在推動。這個力可以是磁力,一種微觀上的旋渦力;也可以是暗能量,一種宏觀上的旋渦力。旋渦斥力線在短距離上可以認定為直線,所以,光這種橫波會以光速直線傳播。

光可以在真空中傳播,不需要傳播介質,也不需要以太。但光遇到介質會產生反射、折射,降低頻率,所以,光的強度會衰減。光的質量很小,可以忽略不計,但遇到更強的外力,會偏離原來的行進路線。

其它粒子是這樣,宏觀物體也是這樣。從兩極觀察地球,地球是個粒子,有圓心、半徑、自轉角速度、公轉速度;從赤道觀察地球,地球螺旋前進,有波長、振幅、頻率。只是波動性的特徵沒有粒子性的特徵強而已。只是因為我們認為地球是粒子而不認為是波。

至於光子通過雙縫產生自干涉,則主要是因為光子是一個旋渦,並不是實體粒子,無所謂分裂不分裂;光的傳播是球狀的。光可以分成兩部分同時通過雙縫,再正常不過了。

電子通過單縫,不管磁極朝哪,都產生一條條紋。電子通過雙縫,如果磁極朝向前後,會產生兩條條紋;否則,就會產生干涉條紋。

在雙縫前或後增加一個檢測電子的觀測器,產生「量子退相干」現象,即干涉條紋消失。這是因為觀測器本身發出的力干擾了電子的行進狀態,本來磁極沒有朝向前後,結果被觀測器扭轉成朝向前後了。所以,不是觀察者的意識決定著電子的行為,而是觀察者的行為決定著電子的姿態。「量子退相干」現象是人為干涉造成的,不需要用「量子糾纏」、「互補原理」、「測不準原理」、「主觀的介入」來解釋,更不是電子與我們躲貓貓。

總之,光是旋轉著螺旋前進的粒子,有圓心、半徑、自轉角速度、公轉速度以及波長、振幅、頻率。這就是波粒二象性。「量子退相干」現象是人為干涉造成的,不需要故弄玄虛,搬神弄鬼。

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