光是什麼?波還是粒?

2020-11-28 金尚心理師

光是什麼?古希臘人認為光是由「光原子」的小顆粒組成的,這包含著一種簡單的辯證唯物主義觀點。在中國古代,光是什麼,哲學上,中國古代科學家認為光是由氣產生的,氣是光源發出的一種特殊氣體。

對於光的系統研究,起源於西方笛卡爾。笛卡爾在《折射》一書中首次提出折射定律的理論證明。他解釋了人們視力障礙的原因,並設計了矯正視力的鏡片。

笛卡爾提出了光的波動理論的雛形。16世紀60年代,著名物理學家胡克發表了他的光的波動理論。他認為光在一種叫做發光乙醚的介質中以波的形式傳播,這種介質不受重力的影響,他假設光進入緻密介質時會減慢速度。完美的天才。

後來,光的波動理論被惠斯完善了。1678年,在法國科學院的一次公開演講中,惠斯推翻了牛頓的輕粒子理論。1690年,他正式提出光的波動理論,建立了著名的惠斯原理,推動了屈光學研究的發展。

光理論中最重要的屈光學理論是光波理論。他認為從震源發出的光波的每個點都是光波的波源,每個光波的後面都是下一個新的波面。根據這一原理,他發現了光的衍射、折射和反射規律,從而解釋了在稠密介質中光速下降的原因。

然而,牛頓並不認為光是波,他認為光是一種粒子。在牛頓之前,法國數學家皮埃爾·加森迪提出物體是由大量硬粒子組成的。牛頓同意他的觀點。根據光的線性傳播和光的偏振定律,他最終到達1675年。假定光是從光源發射的物質粒子,在均勻介質中以一定的速度傳播。粒子理論由此產生。

他們兩人在波粒子大戰中掀起了多達300人的戰爭,奇才和胡克相繼去世。牛頓出版了他的傑作《屈光學》,這本書匯集了牛頓在劍橋30年來的心血。他從粒子的角度闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛動作模式、光譜等方面的內容。他從波動理論中汲取養分,將波動理論中的振動和周期理論引入粒子理論,完善了互補粒子理論。他逐一提出了波動理論無法解釋的問題,駁斥了惠斯當時的光理論。

隨著牛頓的普及,牛頓的粒子學生們說,在很長一段時間裡,他們壟斷了光的解釋能力。當著名科學家託馬斯·楊在研究牛頓環的明亮條紋時,他突然問道:「為什麼會形成一的條紋呢?」他想,「用波來解釋不是很簡單嗎?明亮的地方,那兩道光正好是」「而且它們的波峰和波谷只是增強了,產生了兩倍的亮度效果;兩個燈光的條紋正好在「反向」,它們的波峰和波谷相反,只是偏移。

接來下他做了著名的楊氏雙縫幹涉實驗。它是把手電筒放在一張開著洞的紙前面,在紙後面放一張紙。不同的是,第二張紙上有兩個平行的狹縫。從小孔射出的光線通過兩條狹縫投到牆上,形成一系列明快交替的條紋。

楊的實驗結果在學術界產生了很大的影響。他盡力證明惠更斯早年提出的光波理論。歐拉,菲涅爾、傅科和核磁共振相繼證明了光波理論的正確性。歐拉是波浪理論的支持者之一。他在新的光與色理論中闡述了他的觀點。他認為波動理論更容易解釋光現象。

在牛頓之後的300年裡,關於光是否是波動的爭論一直沒有停止過。這兩所大學都說它們壟斷了光的解釋權。

19世紀末20世紀初,物理學向微觀領域發展。這個問題變成了粒子水平。它們是光波嗎?。

當時,海森堡認為電子像粒子一樣,在不同的軌道上被量子化。雪丁格爾認為電子是一種波,它就像雲(電子云說法的由來)。當它被放大時,它似乎融化在空間中,成為無數振動的疊加。

愛因斯坦因光電效應獲得諾貝爾獎,波粒二象性的概念最初被提出。第二場爭論源於楊的雙縫實驗,但愛因斯坦得到了不同的結果。當你降低光的強度,直到一個光子進入整個實驗裝置,奇怪的旅程就開始了。1905年,愛因斯坦明確提出單光子是粒子。因此,愛因斯坦解釋光電效應的光量子理論獲得了諾貝爾獎。

愛因斯坦提出光的量子理論後,我們發現楊的實驗結果是正確的。這時,人們開始意識到光波可能具有波和粒子的雙重屬性。

真正提出光的波粒二象性理論的是德布羅意。為了解釋X射線現象,德布羅意於1920年重新開實驗究理論物理,特別是量子問題。1923年9月和10月,德布羅意在《法國科學院院導報》上發表了三篇關于波和量子的短文。在這個時候,他關於物質波的概念被初步揭示了。

最後,1924年,德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中提出了相位波是物質波的概念。本文採用了兩個優秀的公式:E=HV和E=MC2。。

這是愛因斯坦著名的公式。前者是關於光子能量(第一個公式的提出有普朗克的功勞),後者是描述質量和能量之間的等價關係

德布羅意把這兩個公式結合起來,假設光子的定常質量為零,而像電子這樣的物理粒子有一個周期性的頻率過程。

在他的論文中,他得出了一個驚人的結論:任何物理粒子伴隨著波。。

這種波被德布羅意稱為相位波。。。

在這篇博士論文中,德布羅意首次正式提出「波粒二象性」。他指出波粒二象性不僅存在於光子中,而且存在於所有微觀粒子中,包括電子、質子和中子。他將光子動量與波長P=H/λ的關係推廣到所有微觀粒子,指出質量為m、速度為V的運動粒子具有波動性。該波的波長等於普朗克常數h與粒子動量MV的比值,即λ=h/(MV)。這種關係後來被稱為德布羅意公式。根據這個假設,電子會有像幹涉和衍射這樣的漲落。

德布羅意的理論揭示了每一個微粒都具有波粒二象性。1921年,美國著名科學家戴維森和他的助手康斯曼意外地發現,從鎳靶發射的一些「二次電子」與轟擊鎳靶的初級電子具有相同的能量。很明顯,當金屬被反射時,發生了彈性碰撞。他們特別注意到「二次電子」的角分布有兩個最大值,這不是一條平滑的曲線。他們沒有意識到這實際上是一種衍射現象,他們試圖通過模仿盧瑟福的阿爾法散射實驗,用原子核中電子的靜電力來解釋這一曲線。當戴維森繼續做電子散射實驗並想繼續得到這一曲線時,結果並不理想。

後來戴維森與著名物理學家裡查森出席了會議。他們知道的是他們所做的證據是電子衍射。

回到美國後,他做了這個實驗,並於1927年公布了實驗結果。這個實驗正是德布羅意在答辯當天提出的「電子的衍射實驗」。也就是說,如果電子有漲落,電子束通過障礙物時會像光一樣衍射。

幾乎是著名的物理學家和電子發現者約瑟夫·湯姆生的兒子P.G. Thomson獲得了類似於用高速電子在多晶金屬箔上X射線產生的衍射圖樣,這證實了電子的漲落,為德布羅意波提供了堅實的基礎。他們一起在1937年獲得諾貝爾獎。

之後,各種粒子的衍射實驗被證明是成功的,德布羅意的理論是完全無懈可擊的。

21世紀對德布羅意物質波的研究一直沒有停止。2015年,瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家成功拍攝到了這張顯示波粒二元性的光照。

底部的切片視圖顯示光的粒子屬性,頂部的場景顯示光的波屬性。

波粒二象性是微觀世界的基石。波粒二象性是量子理論建立和發展中的一個基本而重要的概念,是微粒子的固有屬性。上帝是在開一個大玩笑,一些科學家參與了300年的辯論。在這場持久而大規模的辯論中,最終沒有輸家,因為他們試圖捍衛的理論是正確的,只有一半是正確的。

金尚,心理學碩士、國家二級心理諮詢師、國家心理督導師、高校心理教師,代際創傷五階段療法創始人,虛擬愛之療法提出者和倡導者。

已出版心理學專著《走出原生家庭代際創傷》(海外版)、《永遠成長的蘋果樹》《滾蛋吧抑鬱君》,並有多篇論文在國家級刊物發表。

2020年入選全國首部《中國心理工作者人才庫》。

國內版《重啟人生——如何走出原生家庭陰影》即將上市。

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