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什么是光 精选

已有 4568 次阅读 2024-2-19 08:02 |个人分类:科学史|系统分类:科普集锦

因为有光,人和其他动物可以感知世界并与之互动;因为有光,植物能够进行光合作用得以生存和生长

人类试图了解周围世界的过程中,光占据了重要位置。甚至《圣经》中也有多处关于光的经文。《圣经》创世纪第一章就提到,神说,要有光,就有了光And God said,Let there be light’,and there was light)”据统计,在美国一流大学的校训中,出现最多的字是Light(光)”,其次才是Free自由Knowledge知识。例如,加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校和华盛顿大学的校训,都是引用《圣经》里话Let there be light要有光”。

什么是光?自古以来,这个问题一直吸引着科学家。我国古代,春秋末期战国初期(大约公元前476~公元前390年),墨子及其弟子著的《墨经》中就记载了光线沿直线行进的性质,记载其发现了光的小孔成像。

历史上科学家曾经提出关于光的性质的不同理论最具影响力的有:牛顿的微粒理论惠更斯波动理论麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦的光量子理论

[中古时代:光是眼睛发出的,还是从物体传播到眼睛的?]

对古埃及人来说,光是他们最高的神太阳神的目光古希腊人的观点情况正好相反——毕达哥拉斯认为人类眼睛内部的火焰照亮了世界,柏拉图认为只有当眼睛的火焰与日光(太阳之火)相遇并结合时,视觉才有可能出现。

毕达哥拉斯、欧几里德和托勒密都认为光是直线运动的。但是,他们并不认为光线是从一个物体传播到眼睛的,而是认为眼睛发出视觉光线,就像触角一样,接触到物体,从而在大脑中产生视觉感觉。公元前3世纪欧几里得指出,把一根针丢在地上,寻找它,你可能会惊讶于不是立即可见针。如果光线从一个物体瞬间射向眼睛,你应该立即看到它。他认为不是立即见的原因是搜索地面的视觉射线尚未触及针。然后,在视线触及针一瞬间,你看到了它。

公元1000年,一位名叫伊本·海赛姆Ibn Al-Haytham,965年1040年)的波斯科学家用逻辑和实验相结合的方法证明光不是从我们的眼睛射出,而是进入眼睛,从而产生视觉。海赛姆绰号托勒密二世物理学家。他指出,你不能长时间看太阳而不感到痛苦;如果你盯着一个明亮的物体看半分钟,然后闭上眼睛,这个物体的彩色图像就会浮现在眼前。所以,一定物体发出的东西进入了眼睛。

14世纪到17世纪, 欧洲文艺复兴带来一段科学与艺术革命时期。意大利博学家列奥纳多··芬奇认为眼睛是一个暗室——光线通过一个小孔(瞳孔)进入并在眼睛后部(视网膜)产生外部场景的倒像。1604年,天文学家约翰尼斯·开普勒解决了光线如何在眼睛内折射以在视网膜表面产生图像的问题首次采用暗箱这个术语暗箱在17世纪成为人类视觉模式主流认识

[17世纪:光是粒子还是波?]

在十七世纪,一场关于光的本性的辩论展开了。克里斯蒂安·惠更斯Christiaan Huygens,1629年04月14日—1695年07月08日,荷兰物理学家、天文学家、数学家)认为光是一种波,而艾萨克·牛顿Isaac Newton,1643年1月4日—1727年3月31日,英国著名的物理学家、数学家)认为光是一种粒子是微粒流

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1 牛顿上)和惠更斯

艾萨克·牛顿1666开始光学实验更喜欢微粒理论。牛顿微粒认为:光源发出许多微小的、弹性的、刚性的、无质量的粒子,称为微粒这些粒子以极高的速度沿直线向各个方向穿过透明介质些微粒进入我们的眼睛并产生视觉感觉。由于微粒的大小不同,它们产生不同的颜色。这些光粒子被反射面排斥,被透明材料吸引。牛顿的微粒理论可以解释光的直线传播解释光的反射和折射。但是,微粒说存在诸多缺点:(1牛顿的微粒理论预测,光速在光密度较大的介质中比在光密度较小的介质中更快,实验观察否定了这一点。(2)根据微粒理论,牛顿对部分反射和折射的解释不能令人满意,微粒理论未能解释光的干涉、偏振和衍射。(3)由于微粒被假定为粒子,长时间连续发光的光源的质量应该会略有下降,对此没有实验证据。

1672年,牛顿在《哲学会报》上发表关于光的微粒说观点的论文之后,胡克、卢卡斯、利尼斯等人就相继表示反对胡克提出:光以球面波的形式快速且小振幅地振动,向四面八方传播的。1675年之后,惠更斯、莱布尼兹、伯努利兄弟等也加入了争论。

1678惠更斯提出波动说,并于1690年发表《论光》(Traité de la lumière)。惠更斯认为光源以波的形式发光。光波就像声波一样,本质上是纵(纵波是质点的振动方向与波的传播方向平行的波)光波从光源向四面八方传播,并通过在视网膜中产生振动而被检测到。光的各种颜色是由光波的不同波长造成的光波在真空中传播,因为存在一种称为发光以太的假设介质。以太粒子无处不在,具有惯性、零密度和完全透明等特性。波动理论的优点有:根据波动理论,可以解释光的反射、折射、衍射、干涉、偏振和全内反射现象。波动理论正确地预测了光在光密度较大的介质中的速度小于光在光密度较小的介质中的速度,这与实验结果相一致。惠更斯波动理论缺点有:(1)光的波动理论假设存在以太介质,但实验证明不存在2)光的波动理论无法解释直线传播光的偏振等现象。3)惠更斯波动理论假设光波本质上是纵向的,实验不符

[19世纪初:波动说的复兴]

17世纪末开始,光的微粒说在欧洲得到广泛认可——这主要由于牛顿的声誉和影响力。直到19世纪初,微粒说才受到波动说的严重挑战。托马斯·杨Thomas Young,1773年6月13日—1829年5月10日)奥古斯丁·让·菲涅耳Augustin-Jean Fresnel,1788年5月10日1827年7月14日,法国物理学家)等科学家的研究工作让光的波动说得到复兴。

1801年,托马斯·杨在皇家学会发表的论文,重新肯定了波动说。托马斯·杨进行了一系列巧妙的光干涉实验,表明光线可以相互干涉像声波一样。托马斯·提出了光是横波的观点(横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直),纠正了自惠更斯以来光是纵波的传统见解,进一步发展了波动说并建立了波动光学的基本理论。18031124日,他告诉伦敦皇家学会:我将要讲述的实验,无论何时阳光普照,都可以轻而易举地重复进行。杨的双缝实验涉及将单一频率的光通过不透明薄片上的两个平行开口照射到另一个屏幕上。如果像牛顿推测的那样,光是由粒子流组成的,那么你会在屏幕上看到两条不同的光带,粒子在穿过一条或另一条狭缝后聚集在一起。但事实并非如此。相反,你会看到许多明暗相间的条带,像条形码一样排成一条条条纹——一种干涉图案

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2 托马斯·上)和菲涅尔

1818年,菲涅尔用波动说的观点很好地解释了光的干涉,以数学理论来阐述波动理论,奠定了波传播的一般理论基础,从而建立了经典波动光学。导出菲涅耳方程用来描述光在不同折射率的介质之间的行为。这是光学史上的又一大事件。当光线碰撞到一个表面的时候,菲涅尔方程会根据观察角度告诉我们被反射的光线所占的百分比

[19世纪中:光是电磁]

1834年到1845期间迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791年9月22日1867年8月25日,英国物理学家、化学家)引入了电场与磁场的概念,发现磁场会影响偏振光——这一现象被称为磁光效应或法拉第效应。他的实验于1845年在伦敦进行。他将一块致密的玻璃放在电磁铁的两极,然后让偏振光(在一个平面内传播而不是向所有方向传播的光)穿过玻璃。当他接通电流时,光的偏振态发生了变化,证实了光和玻璃都具有磁性。这是法拉第发展电磁场理论的关键实验,电磁场理论是现代物理学和通信理论的基石之一。七年之后,他又引入磁力线概念,为建立经典电磁学理论奠定了基础。

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3 法拉第上)和麦克斯韦

1865麦克斯韦James Clerk Maxwell,1831年6月13日—1879年11月5日,英国物理学家、数学家,经典电动力学创始人)提出了光的电磁波理论,用完美的数学公式,即麦克斯韦方程组,证明了法拉第的电磁理论猜想。同时,麦克斯韦进一步证明了这些电磁波的速度,恰好光速。他还指出光和磁力是同一种物质的不同状态,而且光是一种遵从电磁学定律在电磁场空间传播的扰动”。他观察到电磁波的传播不需要任何介质,因此它们可以在真空中传播。1888,德国物理学家海因里希·赫兹通过实验证明了电磁波的存在。

[20世纪初:量子二象性]

至此,这场波粒之争似乎已经尘埃落定,波动说似乎被证明是正确的但在20世纪初,马克斯·普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日,德国物理学家)阿尔伯特·爱因斯坦Albert Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日,美国和瑞士双国籍的犹太裔著名物理学家和其他许多人的关于量子和光量子的工作揭示了一种奇怪的第三种可能性波粒二象性光和物质都表现出波和粒子的特性这是量子力学中的一个核心概念。

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4 普朗克上)和爱因斯坦

19001214日,是量子诞生的日子。这一天,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。他指出,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍,其变化的最小值是E=hf,称为能量子。h被普朗克称为“基本作用量子后来被命名为普朗克常数),f是电磁辐射频率

1905年,爱因斯坦提出“光子(photon)”或light quanta概念。爱因斯坦在研究了光电效应(某些金属在受到辐射时释放电子的方式)后提出,如果入射光由大小为hf的能量子组成,就可以构建光引起电子发射的机制。这样,不仅光的发射和吸收被量子化,光本身也被量子化。也正是他的发现,结束了波动说和微粒说的争论,让物理学家们接受了光同时具有波动性和粒子性的本质。同年创立狭义相对论,更是基于他的惊人发现,即光的速度始终保持恒定,不参考系的选取而改变还推导出了著名的质能方程 E=mc²。而这也为现代光学的发展奠定了理论基础。

1905年,爱因斯坦对在狭义相对论中重力和加速度对光线影响的探索也为他广义相对论奠定了基础。1915年发表的广义相对论,预言了光线在宇宙空间中受到引力场作用发生弯曲。1916年,爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射,他指出,如果能让受激辐射继续去激发其他粒子,进而造成类似雪崩一样的连锁反应来放大效果,最后就能得到单色性极强的辐射,也就是激光。

[20世纪:物质的波粒二象性]

1923巴黎大学研究生路易·德布罗意(Louis de Broglie1892年8月15日1987年3月19日,法国物理学家提出如果光可以被认为具有类似波和粒子的性质,那么实物粒子可能也具有二象性。德布罗意用一个公式用来描述物质波动特性的方程λ = h/p,其中λ是波长,h是普朗克常数,p是动量(p等于物体的速度质量。显然,大质量物体波长非常小,以至于以波的方式来看待它们没有意义。但是对于小物体来说,波长是可以观察到的,意义重大。很快就有了支持这一观点的实验证据埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger ,1987年8月12日1961年1月4日,奥地利理论物理学家) 、沃纳·海森堡和保罗·狄拉克据此发展了我们今天使用的现代形式的量子力学。1927年,美国物理学家柯林顿·戴维孙和莱斯特·热默通过实验确立了电子的波动性质,英国物理学家乔治·佩杰特·汤姆生也独立地确立了这一性质。1928丹麦物理学家尼尔斯·玻尔为了解释量子现象的主要特征——波粒二象性提出了互补原理

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5 德布罗意上)薛定谔

单个光子可以被视为粒子或波,因此基于单个光子的杨氏双缝干涉条纹被解释为自干涉。1965年,理查德·费曼曾经在加州理工学院讨论了在双缝实验中发射的单电子产生干涉图案的原理,费曼认为他的思想实验永远不可能实现,但到了2012年,意大利物理学家斯特凡诺·弗拉博尼和合作者实现了真正的单电子双缝实验(杨-费曼实验),表明单个光子可以以某种方式干扰自身

波粒二象性的主要意义在于,光和物质的所有行为都可以通过使用表示波函数的微分方程来解释通常采用薛定谔方程的形式。数学虽然复杂,可以做出准确的预测,但这些方程的物理意义难把握。试图解释波粒二象性实际上意味着什么是量子物理学争论的一个关键点。

[结语]

我们前面回顾了探索光本性的科学历程,主线是围绕波、粒之争。还有几个涉及光科技的大事值得在这里一提。其一,2017年8月17日,引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo),共同探测到的引力波事件GW170817,观测到引力波的速度与光速相同,验证了爱因斯坦广义相对论关于引力在空间中的传播速度为光速的预测。其二,1965年,美国天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊测量到了宇宙微波背景辐射光子这是宇宙中所看到的最古老、最遥远的光。其三,近几十年间,发明了若干与有关的技术应用,例如,激光20世纪人类重大发明之一已经应用于医学、通信、工业诸多领域光导纤维(用于传输数据、声音和图像在电信领域取代了长途电话线中的铜线,并被用于连接局域网内的计算机,还也是纤维内窥镜医疗器械的基础

光提供了一个观察宇宙的窗口,从宇宙尺度到原子尺度。一方面,几乎所有关于宇宙其他部分的信息,都是以电磁辐射的形式到达地球。通过解释这种辐射,天文学家可以确定恒星的化学成分,瞥见宇宙最早的时代,并测量宇宙的膨胀。另一方面,原子和分子光谱是探测物质微观结构的主要工具,并有助于基本光化学反应的研究。对原子发射和吸收的光的频率的分析,是量子力学发展的主要推动力。

几个世纪以来,光的本性困扰了一些人类最伟大的科学家——在某些条件下表现为波,而在其他条件下表现为粒子。仅用粒子模型,或仅用波模型,不能解释光的所有行为。如果光是一种粒子,那么当它从一种介质传播到另一种介质时,为什么会折射呢?如果光是一种波,那么撞击金属时,为什么电子会飞出金属表面呢?大多数人现在认为,光的所有行为,可以通过结合粒子和波两个模型来解释。

物理学家接受光既是粒子又是波的说法,取决于他们选择如何测量光的现象。但是它潜在的物理本质仍然是一个谜。正如爱因斯坦1951:我认真思考了五十年,光量子是什么?但是并没有找到答案。我知道今天每个不诚实的人都以为自己知道了,但他们只是在自己骗自己”。量子物理学家、《捕捉世界之光》一书作者亚瑟·扎琼克也强调:光在本质上仍然像以往一样神秘



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