光的粒子性与波动性分歧的简单发展过程。不是折射,光为何会跑偏

光的直线性到光的“小玻璃球”性的发展

最初对光的理解思路是:光是直线性的。并没考虑它是什么,有多复杂,仅仅是对光的通常现象和效应的一种直观理解。例如影子、镜像、光的反射。

这可以追溯到仰望星空的古人!古人用圭测日影,用日冕计时,也照镜子(古代铜镜),或者找点水照一照,实际这些都是基于光是直线性原理。

光的粒子性与波动性分歧的简单发展过程。不是折射,光为何会跑偏

牛顿时期,产生了现代物理意义的对光线性质的解读。牛顿认为光是由微小的粒子组成的。当然,这个微小的粒子并不是后来所说的光量子,量子理论是牛顿之后几百年才产生。当时可以理解为一个看不见的有弹性、穿透性的小玻璃球更好些。

虽然牛顿也发现了凸透镜的光晕现象,但是他并未能给予解读,错过了一个发现新理论的大好时机。

当然,这不是牛顿不够聪明的问题,是数学基础不赶趟。当时波这种数学方法还未被完善,是后来欧拉完善了波的表达以及波与三角函数的关系。之后波最先被用于声波拟合,后重点被用于研究潜艇的声纳,效果理想。直到上世纪初,波这种数学尤物才军转民,被物理、数学界广泛采用,并研究其性质,产生众多理论。

玻璃产生,发明了透镜、三棱镜,光在通过透明介质的时候,发生弯折,但过去了还算直线。

基于小孔成像原理产生了照相机,这依然是光是直线的原理。

光就这样被直线的以为着。


光的粒子性与波动性分歧的简单发展过程。不是折射,光为何会跑偏

我们可以发现,这个阶段人们研究的并不是光的本身物理原理,而是光的一些现象的表达,或者说光的部分效果的表达。

直到上世纪初,产生量子力学,同时也发现了光的光电转化效应,光的衍射效应等,这时候,光的直线性解读就不够用了。物理学家们开始翻老账。

光是电磁波

19世纪末期,在麦克斯韦、赫兹、马可尼的陆续研究中,验证了光就是电磁波。同时,由于波长和频率的不同,有很多种可见或者不可见的电磁波,如红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线等等。

可见光的波长约380~780nm,我们能够看到的光的光谱实际很窄。大多数光谱范围是我们看不见的,但利用仪器现在可见。通常的可见光的波动幅度,用卡尺测不出来,这也是“粗略”把光当成直线也是对付可用的原因。


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白光通过三棱镜

早期研究的通常是可见光。之后,视觉不可见的光被大量研究和应用。例如红外线感应器、r射线探测仪等等。


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中子星的伽马射线爆

实际惠更斯在牛顿之前就提出了光的波动性构想,仅仅是由于理论不完整,缺乏实验依据,一些现象当时还不好解释。再有后来的牛顿名气很大,惠更斯的这个理论也就被搁置了。相对于牛顿,惠更斯只能说是人微言轻了,即便高明的理论一样会被湮灭。

就如据传说的故事,亚里士多德就怀疑地心说有问题,应该是地球绕着太阳转。可是他一看当时那帮学究的架势,就偷偷地、悄悄地记载了一下,就再也不谈此事了。反正不影响吃饭、炒菜。他比较“鬼”,知道但不说。后来哥白尼就比较“傻”,傻乎乎地就说了,结果就被。。。。。。尽管现在小孩子都知道地球绕着太阳转。历史有时候就是这样的,别讲道理,没唯心的如果。

光的光量子性

光的波动性问题算是解决了,衍射问题也解决了。衍射就是光的波的现象。但是,现在所说的太阳能发电这个事情的原理--光电效应,让原来的光的理论又被卡住了。无论光走直线还是会衍射,电哪来的?

1905年,基于光电效应,爱因斯坦提出了光子概念,一个携带光能量的量子概念,构建了光电效应的解释原理。因此,于1921年获得诺贝尔物理学奖。谁说爱因斯坦跟量子理论过不去了?他仅仅是对量子的超距作用很头疼,理论打赌打输了。当然,爱因斯坦说的这个光粒子可不是牛顿说的小玻璃球一样的小粒子了。这个粒,是量子,是基于能量、概率波意义的量子表达。

他有点跟牛顿较劲的意思,相对论的弯曲时空就是牛顿的引力理论的升维版。牛顿考虑了三个影响因素,两个质量以及两个质点间的距离来解释引力;而爱因斯坦用了四个变量来解释引力效应。数学拟合方法升级了。

光的粒子性与波动性分歧的简单发展过程。不是折射,光为何会跑偏


1924年,路易·德布罗意构造了德布罗假说,声称所有的物质都有类波的属性。并于1927年,实验证明了电子的波的干涉现象。

注:此处疑为有翻译问题,文中的“物质”是指具有物质波、量子意义的粒子,而非通常传统意义的物质或颗粒概念。这种错误翻译容易导致歧义--如被误解为所有传统意义的物质都有类波的属性或者所有传统意义的物质都有物质波(概率波)的属性。

直到上世纪三十年代,争议了300年的光的粒子性和波动性分歧,被光的波粒两重性这种基于量子概念意义的表达调和。也就是通常所说的“光的波粒两重性”。需要留神的是,这个粒,是量子意义的,并不是沙粒这个粒的意思。而波并不是机械波,而是电磁波的波。这句话的准确表达应该是“光具有电磁波、量子两重性!

当然,牛顿的光是微小的粒子组成的这个理论假说也就随历史湮灭了,牛顿并不知道量子。

由此,光的物理性质才渐趋明朗。

光线的弯曲与引力透镜

爱因斯坦很喜欢光。他从光子研究到光波,而且还觉得光走直线这种玩法不够娱乐,开始让光跑偏。

在狭义相对论中他提出了“在大引力场的作用下,光线会弯曲”的理论预测论断。在理论发布之后的第十年,这个现象通过太阳的一次日食提供的机会被验证,观测者看到了原本在日食背后位置的星光。星光在太阳的引力场作用下,弯曲行进了。

之后,爱因斯坦更大胆地预测了引力透镜现象,当一个星系作为引力场影响的质点,我们会看到星系背后的星光的一种特殊现象。这个预测,直到几十年后哈勃望远镜上天,才解决验证问题。

光的二维的跑偏表达变成了三维跑偏表达。

光的粒子性与波动性分歧的简单发展过程。不是折射,光为何会跑偏

光的跑偏这依然是光的小魔术,让光画圆、不让光跑出来,这才算是玩到极致。相对论预测了黑洞的这种极限引力意义的星体,光线都无法从黑洞逃脱。

现在科学家已经通过验证黑洞视界以及黑洞引力波效应等方法间接验证了黑洞的普遍存在,并发现了银河系中心的黑洞。但是,黑洞内部,不管相对论是否失效,却无法直接验证了!现在更多是通过量子理论的方式来猜想解读黑洞的内部情况,当然,这也无法直接验证。

光的理论游戏盛宴似乎就此终结了。

笔者忽然发现,介于直线与圆之间的曲线是螺旋。即然光可以走直线,可以画圆,那么,如果光线是螺旋行进的,会怎么样呢?这个游戏好像被遗漏了一个环节。待续。。。。。。


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