您当前的位置: 首页 >  博客资讯

为什么人们固执地认为光是波动,而无法接受光量子?

爱因斯坦在1905年提出了光量子假设,顺便解释了19世纪末遗留下来的光电效应问题。

即使是美国实验物理学家密里根对光电效应验证了10年,发现爱因斯坦给出的光电效应公式完全正确。

可依然没有人相信量子化是能量的本质,顶多认为,能量只是在与物质相互作用的时候才会表现出量子化的形式。

那问题是,为什么所有的人都固执地认为光的本质是波动,而无法接受光是量子。这就是我们今天的主题:人类对光的认识。

从古希腊开始,人们就觉得光是一种微小的粒子流,没啥特殊的原因,就觉得粒子这东西比较熟悉,也就理所当然地认为光是粒子。

在17世纪之前,这种观点没有发生任何变化,对光的认识基本上也没啥进展,到17世纪初这种情况发生了改变,第一个提出不同意见的人是意大利的数学家格里马第,他发现把一个物体放在阳光下,形成的阴影边缘是模糊的;

这让格里玛第想起了水波可以绕过障碍物,跑到障碍物的后面,如果把光也看成一种波,那么一部分光就会跑到物体的阴影部分,造成阴影的边缘不是明暗对立的分界面。

他顺便给这种现象起了一个名字叫衍射,或者绕射。从此以后光除了微粒说,就有了波动说。

英国皇家学会的胡克继承了格里马第的思想,在1665年出版了《显微术》,明确的支持波动说,并且描述了光在肥皂泡上映射出来的色彩。

其实这个时候,人们已经发现了波动最强有力的证据,就是衍射,不出意外的话,这时候光的波动说,已经可以拍板了,毕竟粒子无法解释绕射。

但是上帝可能觉得,这时候让人类知道光是波动有点不符合剧本,就想着,让谁进去搅个局。这时,半路就杀出了个牛顿。

1666年的牛顿刚从三一学院毕业没多久,正在家里躲避瘟疫,牛顿大部分时间都是在烧炉子,搞炼金术,累了就玩一玩光学实验,这两件事是牛顿最大的爱好。

当时的光学实验无非就是拿个透镜,这看一看,那照一照,就这样牛顿发现了光的色散;1668年牛顿还发明了反射式望远镜,相比于以前的折射式望远镜,反射式望远镜的重量更轻没有色差。

凭借这项发明1672年,牛顿就入选了皇家学会,他给皇家学会提交的第一篇论文就是他这些年对光学的研究,文章中总结了色散理论,并且提出光是不同颜色微粒的混合体。

其实牛顿心里也清楚格里马第的发现,对于光是波还是粒子,牛顿在写这篇文章的时候,也是左右摇摆,虽然他选择了微粒,但心里也吃不准。不巧的是,发生了一件事,让牛顿觉得他这辈子都要坚持微粒说,哪怕各种找补也不能放弃。

牛顿初来乍到,但胡克已经是皇家学会,在光学上的权威,胡克对牛顿的文章提出了强烈的批评,说牛顿盗用他1665年的思想,而且说微粒一无是处。

想必胡克当时也就是诈唬一下这个年轻人 ,但令胡克怎么也想不到的是,他这次真的是摸到了老虎的屁股,牛顿是出了名的小心眼,骄傲,自大,自我崇拜,缺点不少,但是这架不住人家有才华呀。

从此以后胡克就成为了牛顿的眼中钉,你胡克说光是波,好,我就认为光是粒子,就这样牛顿就成为了粒子说坚实的拥护者。

一方面牛顿的影响力日益壮大,另一方面胡克也活不过牛顿于1703年去世,第二年牛顿就发表了他的巨著《光学》,用粒子解释了光的折射、反射,甚至连衍射现象都被牛顿神奇的用力学定律给找补回来了。

甚至牛顿还解释了这样一个难题,既然光是粒子,为什么打到玻璃的时候,一些粒子就穿透了玻璃,一些却被反射了回来?

这个问题你不学量子力学都无法解释,而牛顿当时就看似完美地给出了答案,要不说人家牛呢。

牛顿说,光粒子在以太中传播的时候,就会造成以太的扰动形成以太波,光粒子乘坐以太波飞行,这个以太波时而被发射,时而透射,那光粒子也跟着以太波被反射和透射。

这个说法比较神奇,说它是波粒二象性一点也搭不上边,倒是更有点像德布罗意的导波理论。这个理论,我们后面的视频会加以解释。

这么神奇的牛顿,胡克肯定不是对手,在这期间还出现了另外一个波动方面的支持者,他是荷兰物理学家克里斯蒂安・惠更斯;

1690年惠更斯出了一本《光论》,他用波动也完美地解释了折射和反射现象,认为衍射用波解释起来更加的合理;

而且他还指出,如果光真的是牛顿所说的微粒,为什么我们看不到两条光交叉的时候,发生碰撞呢?

同样惠更斯也阻挡不了牛顿《光学》的出版,因为惠更斯于1695年就去世了,此后牛顿又活了32年,支持波动方面的人基本上都没活过牛顿。

不过这只是一方面,此时的牛顿已经成为了经典物理学教皇,牛顿的话都会被奉为真理,不管是谁反对牛顿,活得再长也不管用。

至此牛顿对光的解释就统治了整个18世纪。牛顿、胡克、惠更斯之间关于光本质的争论,史称第一次波粒战争,以微粒获胜而告终。

很明显“微粒”的获胜,算不上是一次全面的胜利,并没有让所有人都心悦臣服,更多的是牛顿的光环在发挥作用。

牛顿虽然去世了,但整个18世纪,牛顿所建立的经典力学大厦,依然金碧辉煌,牛顿的光环,依然,毫不褪色,不过这不影响革命者的出现。

1801年,新世纪刚刚开始,英国一位眼科医生对光学非常感兴趣,他就是著名的托马斯・杨,在学习了上世纪的光学著作后,他同样也觉得,为什么牛顿非要绕来绕去,用力学去解释光的衍射现象。直接用波动解释看起来更自然一些。

同年他就提出了干涉思想,如果光真的是波,那么一束光在通过两条狭缝的时候,会在屏幕上留下明暗相间的干涉条纹,如果光是粒子,那么在屏幕上就只有两道明亮的条纹。

这就是著名的杨氏双缝干涉实验,这个实验非常的简洁、优美,自己在家里点个蜡烛就可以完成。

杨在发表了自己的观点以后,由于挑战了牛顿的权威,受到了白纸黑字恶毒的攻击,当然这些谩骂的人都不是正儿八经的科学家,科学家还是比较有素养的,最多在背地里嘲笑和讽刺一下;

而民间的学者就不管不顾了,写信开骂,啥难听说啥。杨深知自己犯了众怒,就连忙写了一份小册子,印刷出版,

上面多半的文字,表达了牛顿怎么怎么好,自己多么崇拜牛顿,但牛顿也可能会犯错误,他的权威也许会对科学的进步造成阻碍。

结果,小册子只卖出了一份。

虽然杨的实验并没有彻底否定微粒说,但却引发了第二次波粒战争。这次战争的主场并非在英国,而在法国,这也可以理解,英国人谁敢说牛顿不对,那就等着挨喷吧,在法国就不一样了,毕竟牛顿错了,法国人又不丢面。

而且19世纪的世界科学中心,正在从英国往法国转移。

1819年法国的科学院就提出了一个悬赏征文竞赛,竞赛的内容是:用精密的实验确定光的衍射现象,以及用数学推倒出光经过物体时的运动情况。

一位名不见经传的法国工程师菲涅尔就向科学院提交了一篇论文,其中涉及了一个非常精妙的实验:圆盘衍射,还附有严密的数学分析来解释实验结果。

科学院的泊松,支持微粒说,在看了菲涅尔的论文以后认为:如果菲涅尔的结论正确的话,那么一束光在经过一个大小合适的圆盘以后,会在圆盘阴影的中心看到一个亮斑,而且会在圆形阴影的外围形成宽度越来越小的亮环。

在泊松看来,周围的亮环尚且能接受,但是在圆盘阴影的中心出现亮斑绝对不可能。是骡子是马拉出来遛一遛,一看便知,评审委员会就安排了上述实验,结果与菲涅尔计算的完全吻合。

这个圆盘衍射的亮斑也不知道为啥,以后就被称为了“泊松亮斑”,而不是“菲涅尔亮斑”。但是这并不影响菲涅尔跨行成为继牛顿、惠更斯之后,第三位光学界的传奇人物。

菲涅尔之此后还提出光不是惠更斯认为的纵波,而是横波,类似于水波,振子上下震动,横波就解释了1809年人们发现的光的偏振现象,偏振说的是,光除了可以上下振,还可以躺着振,也可以有一个角度这样来回振。

到这微粒就宣告破产了吗?还没有,微粒和波动还有一个存在分歧的理论预测,微粒认为光在密度大的介质,比如在水中传播的速度比空气中要快,而波动的预测则相反。

1850年法国人傅科测量了水中的光速,只有空气中的3/4。从这以后微粒才彻底破产,人们才相信,原来牛顿也会犯错误,这简直不可思议。

在往后的科学界中,只要科学家想表达自己的观点受到了权威的压制,就会拿牛顿举例子,说牛顿权威当年怎样压制托马斯・杨,阻碍科学发展,以表示自己的愤怒。

那么接下来人们的困惑就是,光既然是一种波动,那么它都有哪些性质?这个问题也很快有了答案。

1856年麦克斯韦统一了电磁学,顺便也统一了光学,光就是电磁波的一种,这个我们之前的视频有提到过,这里就不多说了。

第二次波粒战争至此结束,相比于第一次的波粒战争,第二次波动的胜利可以说是完胜,所有的人都心悦诚服;

不过,事情还远没有结束,人类对光的认识还只是皮毛而已,以后还有很长的路要走。

1887年赫兹刚证明了电磁波的存在,到1905年,也就短短的十几年,爱因斯坦又说光是量子化的,这再次让人想起了以前的微粒,想起了牛顿权威的铁腕统治。

这难免让人反感和排斥,所以说爱因斯坦在提出光量子以后,直到1922年他获得诺贝尔奖的时候,人们都在尽量地回避光量子。

难道爱因斯坦就不知道光的干涉和衍射吗?这些现象只有波动可以解释呀,难道爱因斯坦在提出光量子的时候,以及往后的日子里都放弃了波动吗?

其实并没有,爱因斯坦也知道需要波动来解释一些波的现象,但是他也坚信光是量子化的,这一点可以在1909年9月份,他在德国自然科学协会上的一次演讲中看出来,爱因斯坦一直在思考,波和粒子之间的关系。

他演讲的题目是:就辐射的构成和性质,论我们观点的发展过程,他认为:未来的物理学将会出现一个全新的、关于光的理论,波动和粒子这两个部分不可或缺,然后说了一大堆。

普朗克第一个站起了反对爱因斯坦。

虽然没人接受,但爱因斯坦的话可能是关于波粒二象性最早的预言了,也可以说是波尔互补原理的雏形。我之前也说过,爱因斯坦最大的优点就是,他的物理直觉,无人能及。

他也是第一个将概率解释引入量子论的人,那已经是1916年的事了,此概率解释非波恩对波函数的概率解释,请不要急着喷我,这个问题我们后面会提到。

不过此时的爱因斯坦已经将研究重心放在了如何让牛顿的引力方程符合洛伦兹协变性的问题,所以他在1915年之前在也没有考虑过量子论的问题,毕竟一个人只能专心的干好一件事。

在量子论中,爱因斯坦短暂地退去,我们却迎来了另外一位大神,他就是尼尔斯・波尔,在他的手里量子论达到了顶峰;

从下个视频开始,我们就要回归量子论,进入原子世界,介绍人们如何解决原子模型,原子发射光谱,解决元素周期表排列,化学性质,等等这些19世纪遗留的问题。