深层解读光的本质,光到底是粒子还是波?

宇宙时空探索 2024-10-20 17:32:19

在探索自然的奥秘时,关于光的本性一直是人类智慧的试金石。古希腊哲学家秉持着原始的辩证唯物论,他们坚信光是由无数微小的光之原子所组成,这一理念简单却饱含智慧。与之相对,古老的中国对于光的认识更显哲学:古代的中国科学家将光想象为从气中生发出的特殊气态,这种气有着自己独特的属性。

在西方,对光的系统性探究始于著名的哲学家和数学家笛卡尔。他在1637年的《屈光学》中,不仅为折射现象提供了理论性解释,还阐述了视觉异常的成因,并设计了光学矫正透镜。笛卡尔的这部作品预示了波动说的诞生。

紧随其后,在17世纪60年代,胡克,这位声名显赫的科学家,提出了正式的光波动理论,他认为光波在名为发光以太的媒介中作波动传播。胡克进一步假设,光波在进入高密度媒介时会减缓速度,而这全因波动不受重力影响。胡克的理论进一步被惠更斯所丰富和发展。

到了17世纪末,惠更斯通过其卓越的研究,将波动理论推向了新的高度。他在1678年的法国科学院演讲中彻底颠覆了牛顿关于光的微粒理论,并在1690年出版的《光论》中正式提出了波动说,为光学研究的进展铺平了道路。

《光论》中最为关键的光学理论便是光波理论。惠更斯认为,波源发射出的每一个子波都可作为新的波源,每一个新生波源所发出的波面的包络便是下一时刻的新波面。借助这一原理,惠更斯揭示了光的衍射、折射定律以及反射定律,并阐释了光在高密度介质中传播速度减慢的原因。

与此同时,牛顿却对光的波动理论持有异议。他坚信光是由微粒组成的。在牛顿之前,皮埃尔·伽森荻这位法国数学家已提出所有物体均由大量硬质粒子组成,这与牛顿的理念不谋而合。牛顿根据光的直线传播、偏振现象,最终在1675年提出了自己的假设:光是由光源发出的一种物质微粒,在均匀介质中以恒定速度传播。于是,微粒说诞生了。

两大理论巨头的较量引发了长达300年的激烈讨论。随着惠更斯和胡克的相继离世,以及牛顿《光学》一书的问世,光的微粒理论似乎占据了上风。在这部著作中,牛顿将波动说的观点融入粒子理论,并成功解释了诸多光学现象,如眼睛的工作原理、光谱等。他还提出了波动说无法解释的问题,并对惠更斯的《光论》进行了有力的反驳。

随着牛顿的理论逐渐成为主流,很长一段时间内,关于光的解释权似乎已被微粒理论垄断。然而,著名科学家托马斯·杨于1801年进行的干涉实验,给波动理论带来了新的生命。杨注意到,在观察牛顿环的明暗条纹时,条纹的出现似乎能用波动理论轻易解释:亮条纹是因两束光波同向传播,波峰与波谷相叠加,增强了亮度;而暗条纹则是由于两束光波反向传播,波峰与波谷相互抵消,亮度自然降低。

通过双缝干涉实验,杨验证了波动理论的正确性,这一现象被称为“杨氏双缝干涉”。杨的实验成为了波动理论的有力支持,他首次提出了“干涉”这一术语,并证明了频率相同的光波通过两个平行且距离极小的缝隙时会发生干涉现象,形成明暗相间的图案。

杨的实验成果给科学界带来了深远的影响,后续的菲涅尔、傅科、核磁等实验也纷纷证实了光波动理论的正确性。欧拉也是波动说的拥趸之一,他在《光和色彩的新理论》中阐述了波动理论能够更轻松地解释衍射现象的观点。可以说,自牛顿以来的300年间,关于光的性质是波还是粒子的讨论从未停息,两大理论各自拥有众多支持者,轮流主导了对光的解释。

19世纪末至20世纪初,随着物理学研究的深入微观领域,这场讨论也转为了粒子层面。海森堡提出电子是量子化的,如同粒子般在不同轨道跃迁。而薛定谔则认为电子具有波动性质,如同云雾一般(电子云一词的由来),若放大观察,则像是空间中扩散的无数波动叠加。爱因斯坦凭借光电效应实验获得诺贝尔奖,这一实验初步提出了波粒二象性的概念。

爱因斯坦通过实验得出,当降低光的强度至每次只有一个光子进入实验装置时,一个奇妙的现象出现。1905年,他明确提出单个光子是粒子,并以此解释了光电效应,获得了诺贝尔奖。爱因斯坦的光量子理论使得杨的实验结果也不再有误,人们开始意识到光波可能同时拥有波动和粒子的双重性质。

真正将波粒二象性理论化的是德布罗意。他于1920年重新开始理论物理的研究,特别是关于量子问题的探究。在1923年9月和10月,德布罗意在《法国科学院院导报》上发表了三篇有关波和量子的短篇论文,这些论文初步揭示了他的物质波思想。最终,在1924年的博士论文《量子理论的研究》中,德布罗意正式提出了相位波,即物质波的概念,论文中运用了两个著名的公式:E=hv和E=mc平方。这两公式是爱因斯坦最著名的发现,前者描述了光子的能量,后者则代表了质量和能量的等价关系。德布罗意结合这两个公式,提出一个假设:光量子的静止质量并不为零,而电子等实物粒子则拥有周期性的频率过程。

在这篇论文中,德布罗意提出了一个震撼性的结论:任何实物微粒都伴随一种波动。他将这种波称之为相位波,并首次正式提出了“波粒二象性”。德布罗意指出,波粒二象性不仅仅适用于光子,所有微观粒子,包括电子和质子、中子等,都具有波粒二象性。他将光子动量与波长的关系式p=h/λ推广至所有微观粒子,并提出具有质量m和速度v的运动粒子同样具有波动性,其波长等于普朗克常量h除以粒子动量mv。这个关系式后来被称为德布罗意公式。基于这一假说,电子等微观粒子同样会表现出干涉和衍射等波动现象。

德布罗意的理论揭示了每一种微观粒子都具有波粒二象性。1921年,戴维森和助手康斯曼在一次实验中偶然发现了电子的衍射现象。他们最初试图用原子核对电子的静电作用力解释这一现象,但后来意识到这可能是德布罗意物质波假说的实验证据。回到美国后,戴维森重新进行了电子衍射实验,于1927年发表了实验结果。这个实验正是德布罗意在答辩其博士论文时所提出的“电子的衍射实验”。同时,P.G.汤姆逊也通过高速电子穿过多晶金属箔得到了类似X射线衍射的花纹,证实了电子的波动性。两人于1937年共同获得了诺贝尔奖。

随后,其他粒子的衍射实验也相继被证实,德布罗意的理论变得无懈可击。对德布罗意物质波的研究进入21世纪也没有停止。2015年,瑞士洛桑联邦理工学院的科学家们成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。

波粒二象性不仅是量子理论建立和发展中的基本思想,也是微观粒子的固有属性。这场持续数个世纪的论战最终没有输家,因为他们捍卫的学说都部分正确。光的本性之谜终于被解开,而人类对于自然奥秘的探索仍将继续。

0 阅读:29
评论列表
  • 2024-10-20 20:30

    解释光电效应是个笑话。物理机制根本木有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应是毒药祸害!!!………证明光速不变(全称命题)是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。多普勒效应和红移就是相对光速变化。光子进入引力场比如黑洞必然会加速。迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。……光子对实验装置相对速度基本不变,两路速度差极小,地球重力对光子速度影响太小也测不到,近似为惯性系。

  • 2024-10-20 20:30

    理论物理学进展缓慢(倒退)的原因::: (1)有不少观念认为,先创造假说~再验证证明,就是科学。这其实是一种悖论斯坦式两头骗术!!!假说认知自然有任何成功先例吗?数字文字概念符号包括几何公设(黎曼欧几里得),都是经验的理想化抽象(所谓形而上学当然也是唯物主义),不预测任何真实,用于表达真实。与假说根本不同。………光速不变预测真实冒充公设,它不仅创造假说,还违背相对速度公理。(2)悖论斯坦的号称证明也是骗术!!!自然规律是全称命题,象万有引力定律一样,证伪当然有效,证明/证实当然无效,一天证明10000次也没用。牛顿自然哲学的观点是观测归纳,还是必要充分真实的归纳,严肃地反对创造假说!!!创造假说号称证明,是悖论斯坦蔑视自然欺师灭祖的狂妄骗术。祸害时空观,祸害质量能量引力物理概念,祸害自然认知方法。。。 (3)悖论斯坦骗术已经成了一种十分强大的科学时髦。假打弄成比真打更迷人,实在是恐怖和难以理解的!!! (4)倒退是指创造假说泛滥,攻击已有物理公理物理概念和认知方法,以认知进化否定绝对真理,祸害哲学。 ………花钱鼓吹骗子重要?批判骗子不需要?这是祸害子孙祸害国家!

  • 2024-10-20 20:31

    波与场的研究都是数学当物理,舍本逐末捉影弄鬼之术:::波只是一种粒子宏观时空分布不均匀,水波/沙丘波到处都有,都是质量的运动罢了,研究鸡毛的颜色(波与场)能认知鸡(物质)运动规律吗?还有波粒二象性??以干涉衍射现象否定光是粒子,又去解释粒子干涉衍射,不是笑话是什么??? ………场::只能由源完全确定,不可观测(源力不是场力,源能量不是场能量),物质的场到处飞吗?飞的方向如何确定?……地球场给你引力,你给地球场引力,然后地球场给地球引力。这是笑话!!!~~~场与波都是捕风捉影之法,意义很小,破坏巨大。……伟大的赫兹证明电磁波的实验,激励源都是电火花,感应接受也是电火花,显然是光子动能传播与光电效应,用了电磁波来解释而已。电磁波理论(尚未发现电子)只是基于宏观电磁观测的有用的数学方法,质量与力才是宏观微观物质世界的唯一根本,两朵乌云包括光电效应当然都是电磁理论的谬误,骗子借机祸害牛顿何益?

  • 2024-10-20 20:29

    ⭕️粒子对撞机能创造新物质吗?不!!只能产生一些破碎(质量亏损)。核能化石能太阳能都是释放光子,清洁能源的根本在于光 photon energy and photon behavior discussions,宏观引力微观电磁力包括光子都服从牛顿力学。光子中微子是电子质子撞击的破碎,质子电子的强大电斥力(大于10^36倍引力)发射它们的碎块到达零电势区域的速度就是真空光速。原子内部遍布真空,极微小光子惯性飞行,在强大引力场中有轨道运动与逃逸折射或撞击,在斥力场散射反射等。原子惯性飞行穿透的条件太差,获得动能也不易。……中子大冲量撞击原子核是产生光子动能(核能)的关键方法,电子撞核,质子撞电子,冲量都太小。……加速器驱动的次临界核能可以获得无穷能源,且不受现有裂变材料的局限。———热量温度是光粒子辐射(热质说),高温体辐射更多光子吸收低温体辐射的更少光子,温度传递只能由高温体到低温体(熵只是数学描述,动能传递耗散是生机活力,不是绝望)。高温体辐射更多动能光子,当然微观运动更剧烈(热动说)。无光子辐射是绝对零度,宇宙背景辐射超过且接近绝对零度,获得绝对零度当然极难。

  • 2024-10-20 20:32

    光速不变假说见证了高超的骗术!——— 任何全称命题证伪当然有效,证明/证实当然无效。全称命题光速不变违背相对速度自然公理,已有效证伪!!!任何数学演绎能推理出来全称命题“光速不变”吗???无论多少次实验能证明全称命题“光速不变”吗???任何实验精度能证明“光速不变”吗???必然都是骗。相对光速/光速变化/超越光速当然都是正常现象。 光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗??光反射驱动光帆速度不变??相对速度变化导致多普勒效应和红移,是光速不变??光子离开黑洞速度变吗?光子进入黑洞速度也不变吗?掩盖谎言需要更多谎言!………光速常数c不是光速不变,地球引力常数G当前还在努力提高观测精度。

  • 2024-10-20 20:32

    ❌万能骗术无底洞:::—— 无中生有解释稀奇,你能证有吗?永远不可能。你能证无吗?永远不可能(时空无限,号称科技没达到)。解释稀奇号称证明,虽然是(悖论)骗,但你只好被迫证伪/无,进入万能骗术无底洞!!!………鬼把戏总是无法识破的,科学鬼把戏可以持续玩到人类灭绝!!!⭕️真善皆美!!!由真理得食物,善良是分配食物,没有真,善是不可能的。更爱真理是人类的最高智慧和希望。……… 终身搞悖论的爱因斯坦,雅称悖论斯坦,搞的是两头骗,万能骗,诱惑哲学复合骗,终身骗,祸害真理,当然只能是人类公敌!!一些人鼓吹骗子肯定有一种快乐,一种缺德愚蠢的快乐,骗子的温水煮了100多年了,人类社会难道不需要猛醒吗???

  • 2024-10-20 20:30

    自发裂变反应的预测和发现,是原子能利用的直接原因。与爱因斯坦有啥关系?质量亏损是他发现的吗?不知道他如何将沙子变成能量?如何将能量变成质量?篡改美女“动能公式(天天到处用)”把她变性成和尚“质能方程(看到人家核弹成功了,他居然假惺惺地说后悔编造了狗屎造核弹方程)”………这个莫名其妙的数学“能量”是动能还是势能?如何与质量运动发生作用?——解释光电效应?物理机制根本木有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。对比牛顿对“引力”必要充分真实的严谨归纳,是不是荒唐的笑话???——原来他还干过采用牛顿引力常数否定万有引力定律的丑事!——相对论篡改伽利略变换,洛伦兹遗憾的说“对于我,只有真正的时间,。。。都是爱因斯坦干的(破坏时间基本概念的荒唐事?)”

  • 2024-10-20 20:31

    悖论斯坦,背叛数学由公理演绎证明特称命题的传统,号称证明全称命题公设公理。以光速不变假说祸害相对速度公理,祸害绝对时空,祸害能量质量引力等物理基本概念和认知方法,以二象性祸害自然科学的核心根基——确定性,以创造假说冒充祸害公设形而上学。后谎言掩盖解释前谎言搞了一辈子,祸害数学,祸害物理,祸害哲学,终身搞骗,祸害极大极深极广,100多年了,还在鼓吹骗子,居然成了一门生意?………一个恶贯灵魂的彻底的人类公敌!!!狗屎都有用,欺骗有啥用?迷信蔑视自然的悖论斯坦,瞎搞科幻假说,人类将无法逃脱第六次地球生物大灭绝。———假说科幻骗子招摇过市,人人都沉默?科学还有希望吗???

  • 2024-10-20 20:32

    搞假说/无中生有不是科学,是鬼把戏/万能骗术!:::概念马,不是真马,也不是假说,是唯物主义形而上学,用于表达真马!想知道能不能趟过一条河,观测归纳就行了。搞假说想干啥???证明能过河当然是骗。“光速不变”“宏观微观不同”“高速低速差异”都是地地道道的猜测真实,是创造假说,光速不变违背相对速度自然真理,当然已经有效证伪!!!黎曼几何公设是形而上学,不稀奇,不是假说,无中生有的创造假说必然是骗!光速不变就是蛤蟆学水牛搞骗。———不知道哪个骗子能用10000个假说认知自己的后脑勺???………物理宇宙处处不同时刻变化,绝对时空清清楚楚无法改变。数学相对时空是虚幻,只能是近似。相对时空曰::宇宙时时处处可放羊。当然是万能骗术鬼把戏。

  • 2024-10-20 21:28

    光是什么?扯来扯去,有定理吗?光跟影子一样,什么都不是。闭上眼睛,光什么都不是,还有太阳光,能照热真空吗?,光本无色,色原于物。所谓的光速也是错误的,光跟远和近有强弱之差,准确的应该是灯亮了,不管远和近都同时到达才对,所以所谓的光速是仪器误差的值。

  • 2024-10-20 20:32

    ❌质能方程是一个鬼把戏!!!能量的具体内涵是动能和势能,是物理公理规定的物理概念。物质质量是其不变的本质,能量是物质相互作用和运动变化的度量,是变化现象。数学都是基于公理的演绎,超越公理的理解当然是虚幻。动能和势能,都是相对的,与相对速度相互作用力有关,是质量体之间相互作用的度量,是物质变化现象,不是物质的本质,咋能与单体质量等效???场无质量居然有能量???质能等效是脱离基本公理的数学虚幻,欺师灭祖蔑视自然,祸害基本概念和认知方法。

宇宙时空探索

简介:用通俗的语言诠释科学