试想,阳光从窗户倾泻而入,金黄璀璨。在量子物理学的诠释里,这些光是由无穷无尽的微小单元——光子——构成,它们在空气中穿行。但究竟何为光子?
光子的定义
光子,是电磁波能量的最小、不可分割的单元。它是所有光线和辐射的基础构建块。
光子永不休止地移动,即使在无边无际的真空,光子亦以恒定速率,即299,792公里/秒,向四周蔓延。这速率被定义为光速,用字母c表示。
依据爱因斯坦的光量子假说,光子所携能量与其频率成正比,与普朗克常数相乘。爱因斯坦指出,光不仅像波一样流动,而且由具有特定振荡频率的光子组成,光子的能量与频率成正比,亮度与光子数量成正比。正是这种特性,使光子展现出波粒二象性,即在某些情况下表现得像波,在另一些情况下表现得像粒子。
光子的特性如下所示:
它们无质量且无静止能量,仅以粒子形式存在。
尽管缺乏静止质量,它们仍是基本粒子。
它们不耗费电能。
它们性质稳定。
它们是自旋为1的粒子,故为玻色子。
它们携能量和动量,取决于频率。
它们可与其他粒子(如电子)发生相互作用,例如在康普顿散射中。
它们可通过自然过程产生或销毁,例如在辐射吸收或发射中。
它们在空旷空间中以光速行进。
对光的理解史
光的本质,无论将其视为波或粒子,一直是科学界激烈辩论的话题。数个世纪以来,哲学家与科学家对光的性质进行了激烈的讨论,但始终未能达成共识。
约公元前六世纪,印度教中的胜论派哲学分支,对光有着非凡的物理洞见。他们和其他古希腊哲学家一样,认为世界由土、气、火、水等“原子”构成,光本身则由快速移动的“火原子”构成。这与现代光学理论及其光子构成极为相似。
约公元前300年,古希腊物理学家欧几里德,在假定光直线传播时取得了重大突破。他还描述了光的折射规律。
文艺复兴时期,科学对光的性质探究进入了新阶段。尤为值得注意的是,勒内·笛卡尔在1637年的一篇文章中,提出了光由脉冲构成的观点,当脉冲在媒介中接触“小球”时,瞬间传播。惠更斯则揭示了光波如何产生反射、折射和遮挡,并解释了双折射现象。
此时,科学家分为两大阵营。一方认为光是波,另一方认为光是粒子或小物体。艾萨克·牛顿,这位被誉为有史以来最伟大的科学家之一,并不赞同所有波理论,因为这意味着光能绕过阴影区域,传播距离过远。
18世纪,微粒理论在光性质的辩论中占据上风。然而,1801年5月,托马斯·扬进行双缝实验,证明了光波的干涉现象。
在实验的早期版本中,扬并未使用两缝,而是以纸盖住窗户,让一道细光束透出。随着纸在手中移动,扬目睹了光束分成两半,并从两侧相互干扰产生条纹,这些条纹能在对面的墙上观察到。后来,扬根据这些数据计算出不同颜色光的波长,这些值与现代数据极为接近。
此实验为光波理论提供了有力证据。
同时,法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳在1821年表明,如果光是无纵向振动的横波,便能解释极化现象。他还提出了精确的衍射波理论。
那时,牛顿的追随者们缺乏有力证据继续辩论。光似乎是波。难题在于“以太”,一种支撑电磁场并产生菲涅耳传播规律的神秘媒介。尽管人人都努力寻找,但终归徒劳。
1861年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,通过20个方程,将电和磁的实验和理论知识整合,取得重大突破。他预言了一种“电磁波”,即使在真空中也能在没有传统电流的情况下自持。这意味着光传播不需要以太!
麦克斯韦在1865年指出:“结果的一致性表明光与磁是同种物质的影响,光是根据电磁定律在场中传播的电磁干扰。”
自那日起,光的概念首次与电和磁的概念合并。
1900年12月14日,马克斯·普朗克展示了热辐射是以离散的能量包形式发射和吸收的量子。随后,阿尔伯特·爱因斯坦在1905年指出,光也如此。爱因斯坦使用了“光量子”一词。
20世纪初,物理学的新革命再次围绕光的本质展开。这一次,不是讨论光是粒子还是波,而是探讨是否二者兼具。
现代光与光子理论
爱因斯坦认为光是粒子(光子),而光子流是波。这位德国科学家确信,在发现光电效应之后,光具有粒子性质,例如当电子从暴露于光线的金属表面逸出时。如果光是波,则无法解释这一现象。另一个令人费解的问题是,强光如何导致更多光电子产生。爱因斯坦说“光本身就是一个粒子”,以此解释光电效应,并因此获得诺贝尔奖。
爱因斯坦的光量子理论核心在于,光的能量与振荡频率相关。他认为,光子的能量等于普朗克常数与振荡频率的乘积,该能量是振荡频率的函数,光的亮度与光子数量成正比。光的各种特性是一种电磁波,是由肉眼不可见的称为光子的极小粒子造成的。
爱因斯坦认为,当物质内的电子与光子碰撞时,电子会吸收光子的能量并逸出,且光子的振荡频率越高,电子获得的能量就越大。太阳能电池板便是如此工作。简言之,爱因斯坦认为光是光子流,光子的能量取决于其振荡频率,光的强度与光子的数量有关。
爱因斯坦通过实验验证光电效应,得出普朗克常数,证明了其理论。他的计算结果为普朗克常数6.62607015×10的负34次方J·s,与马克斯·普朗克在1900年通过电磁波研究得出的数值相同。显然,这显示了光的波性质与振荡频率,以及光的粒子性质与动量之间的紧密联系。20世纪20年代,奥地利物理学家欧文·薛定谔用量子波函数方程进一步阐述了这些观点,用以描述波的行为。
自爱因斯坦展示光的双重性质以来已有一百多年,2015年,瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家首次捕捉到了光的这种双重行为。由Fabrizio Carbone领导的团队巧妙地用激光击打纳米线,导致电子振动。光在这两条可能的方向上沿纳米线传播,如车辆在高速公路上。当两束反向传播的波相遇时,形成驻波。驻波成为实验光源,在纳米线周围发射。然后,发射电子束对驻波光进行成像,其图像显示了光子的特性。
光子长什么样
你有没有想过光子的外形?几十年来,科学家们一直在思考这个问题。
2016年,波兰科学家创造出首个单一光子的全息图。华沙大学的团队,通过在由方解石晶体制成的分束器中同时发射两束光,制作全息图。分束器如同交通信号灯,每个光子都有直接通过或转弯的可能。对于单个光子,两条路径都有可能,但对于更多光子,它们会相互作用,改变概率。如果你知道一个光子的波函数,就可以通过探测器上出现的闪光,确定第二个光子的外形。得到的图像像马耳他十字架,正如薛定谔方程预测的波函数。
关于光子的5个事实
光不仅由光子构成,所有电磁能(如微波、无线电波、X射线)也由光子构成。
最初的光子概念由爱因斯坦提出。然而,科学家吉尔伯特·牛顿·路易斯首先用“光子”描述它。
光表现为波和粒子的理论被称为波粒二象性。
光子始终电中性。它们不消耗电能。
光子不会自发衰变。
光子概念的价值
光子概念促进了理论和实验物理学多个领域的巨大进步,如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计解释、量子光学和量子计算等。
超越物理学边界,光子所带来的概念革命正在为其他领域注入活力,例如在光化学过程、高端显微镜技术,乃至精确测量分子间距等领域都发挥着关键作用。
当今科研领域中,光子作为构建量子计算机的“量子比特”,在先进的光通信技术中,如量子信息加密等领域,展现出巨大的研究潜力和重要性。