愛因斯坦「光量子理論」有多重要?為20世紀初期科學界打開一扇門

2021-01-15 李論科學

小編覺得近代科學的飛躍來自於人們對光本質的探索,自1887年德國物理學家海因裡希·赫茲首次發現令當時科學界費解的光電效應,到1905年愛因斯坦提出光量子說,並寫出了功函數方程來解釋光電效應。美國實驗物理學家羅伯特·密立根用了10年的時間去驗證這個方程,結果夥伴們肯定清楚:愛因斯坦是正確的。愛因斯坦對光電效應的解釋讓他在1921年獲得了當年的諾貝爾物理學獎。然而他那關於光量子的理論(光的量子化)太具有顛覆性了,難以被物理學家們接受,甚至是懷疑和嘲諷的態度對待他的光量子。但是也由此讓科學界重新去審視光的本質,再次打響了關於光的「波粒戰爭」,也讓二十世紀的科學界天翻地覆。為什麼在1922的科學界對光量子假說這麼排斥,這還要說起我們人類第一次,也是在牛頓年代關於光本質的論證。(愛因斯坦怎樣解釋光電效應的愛因斯坦成就不僅是相對論,光量子說更是引發了光的「波粒戰爭」)

為什麼當時的科學界接受不了「光量子理論「

關於牛頓給出的答案因為關於光是什麼?這個問題在18世紀以及19世界初葉偉大的艾薩克·牛頓已經給出了答案,光是粒子,微小顆粒組成的。這種光微粒以直線方式運動的理論完美的解釋了我們日常生活中的一個現象:為什麼當一個人在拐角處說話的時候,人們可以聽到他,但不能看到他,因為聲音是波,而光是微粒,不能在拐角處轉彎。所以人們對牛頓的光粒子理論深信不疑,一方面存在著無可辯駁的證據,另一方面大家都清楚牛頓當時在科學界,在人們心中的地位那是神聖不可侵犯的。

科學不乏勇於探索的人荷蘭物理學家克裡斯蒂安·惠更斯提出論據說,不存在牛頓式的光粒子。他相信光是以太中穿行的一種波。惠更斯認為如果光真的由微粒組成,那麼當兩束光相互交叉時,為什麼看不到理應出現的碰撞痕跡?如果光束是由牛頓所說的微粒構成,做直線運動,那麼它穿過物體時留下的影子應該是分明的。但實際上光照射到物體時,因為波動性會繞過物體留下輪廓比較模糊的影子。大家可以找個陽光明媚的日子做個小實驗,拿張紙或者把自己手放在太陽底下,很明顯會發現模糊的影子輪廓,這也是關於光是波的小實驗,大家可以嘗試下當一次實驗物理學家。光的「衍射」的由來

義大利耶穌會修士、數學家弗朗西斯科·格裡馬第神父,給光在物體的邊緣彎折環繞,或在非常狹窄的縫隙兩邊彎折環繞的現象起了個名字叫"diffraction",意思是「衍射」。在一本於他去世後兩年,也就是1665年出版的書中,他描述道:在一間黑暗的屋子裡,在百葉窗上開一個非常小的孔,讓細細的一束陽光射進來,把一件不透明的物體放在這束光中,結果留下的陰影比預料中所能留下的陰影要大。他還發現,在陰影的四周,本來預想應該是光亮與黑暗之間分明的分界線,卻有彩色而且模糊的邊緣。

牛頓對光的解釋在當時人們心中根深蒂固

牛頓完全清楚格裡馬第的發現,後來自己做實驗對衍射現象進行了研究;而衍射現象如果用惠更斯的波理論的話,似乎就更容易解釋。但是,牛頓爭辯說,衍射現象是各種力作用到光粒子上的結果,認為這正好揭示出光的本質。由於牛頓所享有的崇高地位,結果他的光粒子理論被奉為正統,儘管光實質上是粒子和波的奇怪混合體。

可惜的是惠更斯死於1695年,牛頓後來在惠更斯死後又活了32年,這也是光沒有得到充分認識的一個原因。「大自然及其法則隱伏在暗夜之中;上帝說,讓牛頓出生吧!於是一切光明。」亞歷山大·蒲柏( Alexander Pope)的著名墓志銘也見證了在牛頓在世時所享有的威望。牛頓1727去世後多年,他的權威地位依然沒有絲毫動搖。

曙光初現

19世紀曙光初照之際,英國博學家託馬斯·楊對其發起了挑戰,隨著時間推移,他的著名實驗讓光波理論的起死回生,這就是著名的楊氏雙縫實驗證明了光的波動性。從此科學界又認為光是一種波。(小編下篇文章講楊氏雙縫實驗)這也是科學界對於光本質第一次爭論,但因為後來愛因斯坦的光量子說,人們又開始了對光本質的爭論。科學就是這樣,在質疑中成長,在探索中完善。

小結一下:所以當愛因斯坦1905年又提出光量子(光子),雖然我們現在知道到了愛因斯坦的光子和牛頓的微粒有本質的區別,但當時科學界還是難以接受,所以在1921年愛因斯坦獲獎時,諾貝爾物理學獎明確的說是獎給他的公式所描述的光電效應法則,而不是他以光量子為依據所作的解說。可見愛因斯坦當時的思想已經相當超前,以至於頒獎時都要劃分清楚,這也足以印證當時光的本質在科學界仍是一團迷霧。但愛因斯坦就是那個敢於撥開重重迷霧的人,就這樣二十世紀科學界的偉大革命已經悄然來臨。

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