解读光的本质,光到底是波还是粒子?

宇宙时空探索 2024-11-05 14:17:42

关于光的本质,古希腊哲学家信奉一种观点,认为光是由极其微小的“光原子”所构成,这一观点带有朴素的辩证唯物主义色彩。相对地,古代中国学者则从哲学角度出发,提出光源自于气,是一种特殊的由光源散发出来的气态物质。

关于光的科学探索,其开端可追溯至笛卡尔。笛卡尔在《屈光学》一书中,首次为折射定律提供了理论性的解释。他不仅阐述了视力异常的成因,还设计了用以矫正视力的透镜。

笛卡尔提出了光波动说的初步框架,紧随其后,胡克在1660年代发表了他的光波动理论。胡克将光设想为在名为发光以太的介质中以波的形式传递,并提出光在进入高密度介质时会减速,因为波不受重力影响。胡克的理论得到了惠更斯的完善和发展。

1678年,惠更斯在一次法国科学院的公开演讲中,推翻了牛顿的微粒说,并在1690年出版的《光论》中正式提出了波动说。他著名的惠更斯原理促进了光学研究的进步。

《光论》中的核心光学理论是光波理论,惠更斯认为,从波源发出的每一个子波,都可以作为新生波面的源点。通过这一原理,他揭示了光的衍射、折射定律和反射定律,并解释了光在高密度介质中速度减缓的原因。

与此同时,牛顿却持有不同见解,他认为光是一种微粒。在牛顿的《光学》中,他系统地阐述了光的直线传播、偏振现象,于1675年提出了光是由光源发出的物质微粒这一假设。

由此,波粒之争持续了300年。起初,惠更斯和胡克相继去世,而牛顿的《光学》则确立了他的粒子说。牛顿还借鉴波动说的概念,将震动、周期等理论引入粒子说,进一步丰富和发展了这一学说。

随着牛顿的声望日益增长,他的微粒学说在很长一段时间内占据了对光的解释的主导地位。

然而,著名科学家托马斯·杨在研究牛顿环时,对条纹的成因产生了疑问。他认为,条纹的形成可以用波动理论简单解释——亮条纹是两道光波同相位增强所致,暗条纹则是两道光波反相位相互抵消的结果。

杨氏双缝干涉实验成为支持波动理论的经典例证。这个实验显示,当光通过两道平行狭缝投射到墙壁上时,会形成明暗相间的条纹。

杨的实验成果对科学界产生了深远影响,有力地支持了惠更斯的波动理论。菲涅尔、傅科和核磁共振等后续实验,也进一步证实了光波动说的正确性。欧拉也在他的《光和色彩的新理论》中支持波动说,认为波动理论更易于解释光的衍射现象。

从牛顿时代开始的300年间,关于光的性质是波还是粒子的争论未曾停歇,两大理论学派各有拥趸,交替主导了对光的解释。

19世纪末至20世纪初,随着物理学向微观领域拓展,这场争论转移到了粒子层面。海森堡认为电子是量子化的,像粒子一样在不同的轨道上跃迁;而薛定谔则认为电子是一种波,就像云一样(即电子云的由来),放大观察则像是空间中扩散的振动叠加。

爱因斯坦的光电效应研究初步提出了波粒二象性的概念。他指出,在杨的双缝实验中,当降低光强度至每次只有一个光子进入实验装置时,就会观察到奇异的现象。1905年,爱因斯坦明确指出,单个光子是一种粒子。这一光量子理论成功解释了光电效应,并为爱因斯坦赢得了诺贝尔奖。

在爱因斯坦提出光量子理论之后,人们开始意识到,光波可能同时具有波和粒子的双重特性。

真正提出光粒二象性理论的是德布罗意。为解释X射线现象,他在1923年发表的三篇论文中初步展示了物质波的思想。1924年,德布罗意在博士论文《量子理论的研究》中,提出了相位波或物质波的概念,并引入了两个著名的公式:E=hv和E=mc平方。

德布罗意认为,光量子的静止质量不为零,而实物粒子具有频率的周期性。他得出了一个颠覆性的结论——任何实物微粒都伴随一种波动。这种波动被他称为相位波。

德布罗意的博士论文中,首次正式提出了“波粒二象性”,并指出这一性质不仅限于光子,还适用于所有微观粒子,包括电子和质子、中子。他推广了光子的动量与波长的关系式p=h/λ,指出所有具有质量和速度的运动粒子都具有波动性。

1921年,戴维森和康斯曼在偶然中发现了电子束的衍射现象,这一现象最初被误认为是静电力作用的结果。后来,戴维森在会议上得知这可能是德布罗意物质波假说的实验证据,于是重新进行实验,并最终于1927年发表了电子衍射的实验结果。

同时,J.J汤姆逊的儿子P.G.汤姆逊也独立发现了电子的波动性,为德布罗意波提供了进一步的证据。两人因此共同获得了1937年的诺贝尔奖。

自那以后,各种粒子衍射实验的成功进一步验证了德布罗意的理论。在21世纪,科学家们通过实验成功拍摄到了光同时表现出波粒二象性的图像。

这场持续300年的波粒之争最终证明,双方的观点都是正确的。德布罗意的物质波理论揭示了微观世界的基本属性,而这场大论战的所有参与者都功不可没。

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评论列表
  • 2024-11-05 23:16

    ⭕️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。正负光子(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。原子惯性飞行穿透材料的条件太差,获得动能当然也很不容易。……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,质子撞轨道电子,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。

  • 2024-11-05 23:15

    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,骗子借机祸害经典力学体系何益?

  • 2024-11-05 23:15

    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???光速不变只能是创造假说当然是骗。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是经验公式的一个常数,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。———量子不确定性原理如何解释光速不变这种无限的确定性???

  • 2024-11-05 23:14

    解释光电效应是个笑话。物理机制根本没有涉及,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。胡编解释光电效应不是真理,是毒药祸害,掩埋了科学真相阻碍了求知探索!!!………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光速不变??光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗???㊙️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。

  • 2024-11-05 23:16

    波与场是捕风捉影之法!!苏格拉底说,万变中寻求不变的真理。真理是唯一的,因果关系无穷多。………电和质量是一切物质的固有本质,物质不灭,电荷守恒。能量,力,场,波,都是物质相互作用相对运动的复杂现象,不是物质,也不是物质本质。❌号称波是物质,号称物质是波,都是瞎编搞骗!!!———物质之间的关系,只有力的相互作用和相对运动,没有任何其它,电荷场对电荷自己有力作用吗?相干退相干是不是鬼把戏?

  • 2024-11-05 23:17

    ❌❌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,数学冒充物理,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认知的核心根基——同与不同的确定性,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?观测归纳认知自然,从来如此,只能如此。迷信蔑视自然欺师灭祖的悖论斯坦,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???

  • 2024-11-05 23:15

    ❌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,由相对速度相互作用力决定(质量不变),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。———有人知道悖论斯坦的狗屁能量内涵是啥吗???

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