光的本质是什么?

乌文俊


对于这个问题,科学家们已经研究了上百年,如果说彻底弄明白了光的本质,这是在说大话!就像我们对物质的理解一样,我们每个人都会认为物质就是物质,也没有什么可解释的,但物质的本质到底是什么?

没有人能给出最准确的答案(事实上也没有最准确的答案),光的本质也是一样,我们对于光如此熟悉,又如此陌生!

那么从科学角度讲,光是什么。

电磁波。麦克斯韦给出了这样的定义,也是比较浅显易懂的解释。同时,现代物理学认为,光具有波粒二重性,兼有粒子和波的特性,同时光也是能量的一种传播方式!

光具有波的特性很好理解,而光的粒子特性就是说光以光子的形式存在,光子是光量子的简称,而量子是能量存在的最小单元,所以光也可以理解为一种能量存在方式!

那么光到底是如何产生的呢?

主要有三种方式。一是普通太阳一样在核聚变的过程中释放出能量,这种能量就以光的形式呈现。二是原子内部的电子在跃迁的过程中可以发出光。三是粒子的高速运动,比如科学界的粒子加速器!

关于关的本质,会出现很多专业性术语,这会让很多人理解起来更加困难,这里尽量用一些通俗的白话去诠释光到底是什么!

毕竟光的真正本质目前仍是一个未解之谜,所以以上解释只是个人的,理解,如果有错误的地方还请理解,同时如果你有什么高见不妨留言讨论!


宇宙探索


光的本质,一直争论了几个世纪,

在物理学史上留下了非常精彩的篇章。从牛顿的微粒说,惠更斯的波动说,两派战斗了几百年,中间更有胜负;到了19世纪,菲涅尔,托马斯杨等验证了光的干涉,衍射等性质,波动说占了上风,随着麦克斯韦的电磁波理论出现,人们理解了光是一种电磁波。

爱因斯坦光量子理论,光的波粒二象性

1905年,爱因斯坦提出了光量子理论,并以此解释了困扰人们多年的光电效应现象,在光电效应里,光的粒子性得到了验证,光是携带能量为E=hv的微粒,和金属中的电子发生作用,把能量全部转移给电子。 爱因斯坦后来指出,光是波粒二象性,在转移能量时会表现出来粒子的性质,而在它的传播过程中体现的是波动性。

爱因斯坦以光量子理论及其对光电效应的解释,获得1921年的诺贝尔物理学奖

对,不是相对论获奖,因为那时验证相对论的实验还没有完成,而光量子理论已经被多个实验所证实,最出名的就是密立根光电效应实验(获得1923年诺贝尔物理学奖),和康普顿散射实验(获得1927年诺贝尔物理学奖)。

如今的各种光电器件,光纤通信,我们能够上网和各种通信,都是依赖于爱因斯坦的光量子理论贡献。

光量子的思想却在继续发酵,引出了后续量子力学发展

爱因斯坦是量子论的先驱,法国的德布罗意在爱因斯坦的光量子的启示下,更是惊人的想象力提出一切微观粒子都是波粒二象性,提出了物质波理论。而薛定谔为了寻找物质波的波函数提出了

薛定谔方程,海森堡等提出矩阵力学和不确定关系,玻恩提出了波函数的概率统计,以上形成了整个量子力学的发展基础。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。


量子实验室


光的本质的问题,其实到现在还有人在做研究。包括早期的粒子说、波动说,到后来的波粒二象行,以及近期在Science上的研究,认为光子「亦波亦粒,非波非粒」,都在不断的演进。

有的说法看起来很玄,实际上是因为自然语言的缺陷,只能说到这个地步。要准确的理解,则需要学习数学工具。

不过对于光的理解,有一些共识,基本上没有什么问题。

比如光是电磁波。

根据麦克斯韦方程组去解波动方程,你会得到一个电磁波的传播速度。而这个速度恰恰就是光速。

而且这个速度是与参考系无关的。麦克斯韦在建立麦克斯韦方程组的时候,似乎并没有考虑参考系的问题,但其「与参考系无关的速度」,恰恰引发了相对论「光速不变」的基本假设。

还有就是光具有波的属性,也具有粒子的属性。这在数学上看,实际上是因为大部分光的光谱是不纯的,不纯的光谱会产生局域化的波包。


章彦博


光是一种电磁波,是一种肉眼可以看见的电磁波。其本质是一种处于特定频段的光子流,由称为光子的基本粒子组成,具有粒子性与波动性,即具有波粒二象性。

发现光的这种属性的是19世纪伟大的苏格兰物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦。他从法拉第研究得出电场和磁场可以相互转换这个发现着手,想用精确的微分方程来表达这个成果和自己的立场,由此,他发现这些电磁场会制造出一种波,他通过计算这种波的速度,正是光速。

于时他提出了伟大的预言:“这一速度与光速如此接近,看来我们有充分的理由相信光本身就是一种电磁干扰。

由此,人类最伟大的发现之一,光的奥秘被揭开了。后来的研究对光的性质和传播有了更深刻的认识。现在我们认识到,光是依靠光子传播。

1905年,爱因斯坦指出,光子又叫光量子,是一种规范玻色子,是传递电磁相互作用的基本粒子。光子是电磁辐射的载体,在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子的静止质量为零,在真空中直线运动,光速的国际公认值为 c=299792458米/秒。

所有的粒子或者量子的运动都具有波粒二象性,是微观粒子的基本属性之一。这种属性指的是微观粒子不仅可以以粒子的术语来描述,也可以用波得术语来描述。光子是一种量子,当然也具有这种属性。光的这种属性说明光即可以一个个光子的方式发出,又是以波的形式传播。

光的性质揭开和确定后,对物理学的发展和人类对宇宙的认识有了十分重大的意义,爱因斯坦的狭义相对论就是以光的性质以及与时空的关系为基础推导出来的。

光是人类最重要的一种现象,是人类认识世界的最基本媒介,不可想象没有光这个世界是个什么样子。如今人类对光的性质有了深刻的了解,成为衡量和认识宇宙的最重要手段。

时空通讯观点,欢迎点评讨论。


时空通讯


光的本质是什么,直到今天也没有一个定论,关于光是粒子还是波的争论持续了几个世纪,100多年前,人们证实了光是一种电磁波,今天公认的是光具有“波粒二象性”。


想要知道光的本质是什么,首先就要认清光的传播过程,光是一种能量的形态,我们说光没有静止质量,这是根据相对论和质能方程式推导而出的,但是光有动质量。光可以从一个物体传播到另一个物体,而不需要任何的介质。

我们肉眼可见得光,只占有光的很小的一部分,大部分的光是不可以被肉眼直接看到的,例如红外线和紫外线等等。实验证明,光在传播的过程中主要表现为波动性,而在和物质作用的时候主要表现为粒子性。大量的光子表现为波动性,而少量的光子表现为粒子性,光的波长越长就越是表现为波动性,而波长越短越是表现为粒子性。


1905年,爱因斯坦为解释光电效应提出了光量子假说,而到了1924年德布罗意在爱因斯坦的启发下,提出了物质波的概念,认为不仅是光,一切物质都具有波粒二象性,并且在以后的实验中得到了验证。一个运动的乒乓球按道理说也是有波长的,但是质量太大的物体波动性都是不太明显的,所以无法被感知罢了。

一切物质都具有质量和能量,但是我们讨论到光的时候,一般都是认为光是能量的一种形式。光的本质是什么这个问题在过去的几百年里难倒了不少的物理学家,最近的100多年,人们才对于光的认识方面有了比较大的进展,光的秘密本质也正在一步步被人们揭开。


镜像宇宙


光的本质

麦克斯韦方程组推导出,光,是一种电磁波,是电场和磁场在空间中的交替波动,并以光速c=1/(ε0μ0)½在空间中传播。

光是电磁波,是有大小的,其大小就是半波长½λ。

光,不是粒子,不是一个一个的点。

光,不是同时具有波和粒子的特性,不是波粒二象性。

光电效应,金属中的电子吸收频率为ν,大小为½λ的波包的能量,而脱出金属的束缚。

如果把微观物质(包括光)当作是一个粒子看待,把它当作一个质点来研究,那么,就丢掉了最基本而最本质的信息;如果再对它进行归一化,那么,就再把量纲也给丢掉了。这样的结果只能是几率的,这就是哥本哈根学派的量子力学理论出现错误的根源。

请看下表,光和物质波的对比,这一对比,就建立了一个全新的量子力学理论来。

这个新理论,解释了现在所有不能解释的微观世界的奥秘。

此论文将于《科学》上发表!



袁灿伦


牛顿说,光的本质是粒子,有人反对,说光的本质是波。麦克斯韦最后拍板,光就是某些频率阶段的电磁波,直接宣布牛顿落败,让他独自在九泉之下叹息。

最后,量子力学来了,说光具有波粒二象性,在某些情况下表现波动性,在某些情况下表现粒子性,再次给光蒙上了一层神秘的面纱。

爱因斯坦说,光的本质就是能量,并且是量子化的,在空间传播时,光实际上是一份一份传播的,而不是想我们肉眼看见的那样说连续的。

能量是什么?在我们的思维里面,能量就是一切运动的力量来源,没有能量,一切将停止。那么,能量可以不依附任何实体而单独存在吗?

目前看来,能量和物质是不可分离的,凡是物质都有能量,凡是能量都必须以物质作为载体。那么光作为能量,它也应该有载体,但是目前对它的载体是扑所迷离的,有人将这个载体叫做光子,是一种没有质量的粒子!

没有质量,又叫做粒子?这种粒子真的存在吗?


嘟嘟科普


光是电磁波的一种,但是也有着粒子的特性,爱因斯坦指出光是量子并且具有波粒二象性


光的本质在历史上被科学界反复争论了数百年,现在科学界对光的定义是:光的本质是电磁波,电磁波就是在空间中传播的,相互激励的电场和磁场。当它和其他物质发生反应和干扰时,就会反应出波态或粒子态。


一开始科学界因为光的本质问题,互相对抗了几百年,从一开始的光微粒学说占上风,到后来的光波动学说占上风,在之后麦克斯韦的电磁波理论横空出世,人类知道了包括可见光之类的光都是属于电磁波频段。

爱因斯坦认为光既是粒子又是波,具有波粒二象性

1905年爱因斯坦的光电理论完美的解释了光电效应,爱因斯坦的论文描述了光子和电子能量转移过程中表现出粒子的特性,在传播的过程中表现出光波的特性。

爱因斯坦凭借对光量子学说和光电效应的解释,获得了1921年的诺贝尔物理学奖(狭义相对论和广义相对论因为太过颠覆性并且当时难以证实反而没有获得诺贝尔奖)爱因斯坦解释的光电效应为后来的光导纤维和通信技术奠定了基础。

爱因斯坦在提出光量子后,直接推动了量子力学的发展,科学家大胆预测不单单是光子,任何微观粒子都具有波粒二象性,后来的单电子双缝干涉实验也证明这一点,慢慢的量子力学成为了和相对论一样的物理学擎天柱。


宇宙探索未解之迷


以我们认为的“本质”——光是一种电磁波

目前我们认为的光是一种电磁波,一种由变化的电场和磁场相互作用衍生传播的震荡电磁场,它具有波粒二象性。


这就是我们认为的光的“本质”,也是现在科学研究得出的结果。更深层次的本质,我们仍然和半个世纪以前的爱因斯坦,有着一样的疑惑。

或许我们是已经发现了光所谓的本质了,或许我们才刚刚起步。

波粒二象性如何理解?

光的粒子性如何体现?

光是粒子的观点,近代物理学的祖师爷牛顿就是一个代表。

至于为什么牛顿会这样认为,主要是那个时候的物理学研究都是建立在可见的实体之上,人们普遍相信组成实体的是一种微粒,关于物质是波的概念没有相关理论的提出,而粒子组成的实体可以有牛顿理论来描述,牛顿认为的,关于光的直线传播和反射性质,就是光是粒子的“证据”。

支持光粒子的令人信服的证据,是来自近代物理学光压和光电效应的现象的解释,其中的光电效应后来还使爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。

光的波动性又有哪些支持?

光的折射和衍射现象都是光粒子说无法解释的,后来的杨氏双缝实验也都把证据指向光是一种波。

光波动学说的真正确立是麦克斯韦方程的建立,这使人们对光所谓的“波动性”认识的定量描述。


波粒二象性不只是微观世界才有的

后来随着量子力学的建立,德布罗意波创造性的见解,提出了“物质波”的概念。

这是将微观世界和宏观世界联系起来的一项伟大创举,它使我们对自然有了更加深刻的理解。

“物质波”揭示了宏观物体也具有波动性的客观事实,可是我们人为什么感觉不到自己在波动呢?

h就是普朗克常数,它是一个10^-33次方级别的小小数,下面的m换成千克记50,速度记2m/s。

这样得出的一个10^-35次方米的波长,就是一个体重50千克,以每秒2米运动的人所谓的“德布罗意波”。

它如此之小,我们是无法察觉的。


挡不住的熵增


本质上来说,光既是粒子,又是波,即波粒二象性。波粒二象性意味着经典的有关“粒子”与“波”的概念无法直接套用在描述量子范围内。

对于粒子性的理解,现代物理认为,光是量子化的微粒,每个光子携带的能量为E=hv,在光子和金属中的电子发生作用时,把能量全部转移给电子,从而导致电子的能级发生跃迁,这就是光电效应。我们日常接触到的激光器、日光灯等都用到了这个原理。需要注意的是,光子不同于质子、电子等大家熟知的粒子,光子的静止质量为零,只有在运动的时候才具有质量。

对于波动性,我们不能简单的认为光波就是单个光子按照波动规律运动,而是指光子的运动规律要用概率波动原理来计算,单独观察一个光子可能并不能观察到波动,但是当光子的数量逐渐增多时,波动性便显示出来了。光的波动性最直接的证据就是,光可以发生干涉和衍射,这是波才具有的特质。


分享到:


相關文章: