光是波还是粒子?为何?
光,既是波又是粒子,同时具有两种特点,又被称为波粒二象性。光在宏观上显示出波的性质,以电磁波的方式充溢能量,在微观下,突显出粒子的性质。至于为何,且听我渐渐剖析。
光的波动性
光的研究历史和热学一样知名,早在古埃及时期人们就早已发觉了光的反射现象,但在近现代之前人类对于光的本质的理解几乎再没有进步,只是逗留在对光的传播、运用等通俗的层面上。直至近现代,对光的研究才开始迅速发展;德国化学学家惠更斯是第一次比较完整的提出光波动原理,又称惠更斯原理。惠更斯原理觉得:对于任何一种波,从波源发射的子波中,其波面上的任何一点都可以作为子波的波源,各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面波粒二象性,在此原理基础上,他推倒出了光的反射和折射定理,完满的解释了光速在光密介质中减少的缘由,同时还解释了光步入冰洲石所形成的双折射现象,但它却未能对光的衍射现象做出解释,也就是它可以确定光波的传播方向,而不能确定沿不同方向传播的震动的振幅。直至后来,菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充,成立了“惠更斯--菲涅耳原理”,才较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。并且因为不能挺好的解释衍射效应,不久牛顿提出了光微粒说,因为当时牛顿的学术地位,人们普遍觉得光具有粒子性。
光的粒子性
知名化学学家牛顿在《光学》一书中较为全面的论述了光的特点,光具有粒子性,1655年,牛顿通过三棱镜将光分解下来,在发觉这种重要现象的同时,按照光的直线传播性,觉得光是一种微粒流,微粒从光源飞下来,在均匀介质内遵照热学定理作等速直线运动,而且用这些观点对折射和反射现象作了解释。这可以合理解释光的直线传播和反射性质。并且,对于光的折射与衍射性质,牛顿的解释并不很令人满意,他遭到到了较大的困难。直至十九世纪初衍射现象被发觉,光的波动理论才重新得到承认。而光的波动性与粒子性的争辩未曾消弭,直至奇特的光的双缝实验被验证。
双缝干涉实验
在双缝实验里,从光源传播下来的相干光束,照射在一块刻有两条狭缝的不透明挡板。在挡板的旁边,摆饰了摄影胶片或某种探测屏,拿来纪录抵达的任何位置的光束。最右侧黑白相间的横条,显示出光束在探测屏的干涉图样。就是说已知光是粒子性的情况下凸显出了光的波动性,这个怪异的实验也由此打开了量子热学的房门。具体实验是让一束光源通过双缝,之后再双缝旁边的光屏里面观察到了干涉白色,这是因为光具有波动行你们都晓得,此后当人们一个一个发射光子或电子的时侯最终依然在光屏上出现了疏密相间的横条,这令科学家大吃一惊。
图注:双缝实验示意图
图注:单个电子双缝实验
光具有波粒二象性波粒二象性指的是所有的粒子或量子除了可以部份地以粒子的术语来描述,也可以部份地用波的术语来描述。。爱因斯坦这样描述这一现象:“好像有时我们必须用一套理论,有时侯又必须用另一套理论来描述(这种粒子的行为),有时侯又必须二者都用。我们遇见了一类新的困难,这些困难促使我们要依靠两种相互矛盾的的观点来描述现实,两种观点单独是未能完全解释光的现象的波粒二象性,并且合在一起便可以。”波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。
图注:关于光为何凸显出两种性质图解
光具有波粒二象性,在托马斯杨的双缝实验后,普朗克的的宋体幅射定理,以及爱因斯坦的光电效应也都给出了明晰的解释。但我们一直没有完全洞察到光为什么会突显出这些性质,我们不得而知,必将还有更多的秘密等待着我们去发觉。