為什麼人們固執地認為光是波動,而無法接受光量子?


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為什麼人們固執地認為光是波動,而無法接受光量子?

愛因斯坦在1905年提出了光量子假設,順便解釋了19世紀末遺留下來的光電效應問題。

即使是美國實驗物理學家密裡根對光電效應驗證了10年,發現愛因斯坦給出的光電效應公式完全正確。

可依然沒有人相信量子化是能量的本質,頂多認為,能量只是在與物質相互作用的時候才會表現出量子化的形式。

那問題是,為什麼所有的人都固執地認為光的本質是波動,而無法接受光是量子。這就是我們今天的主題:人類對光的認識。

從古希臘開始,人們就覺得光是一種微小的粒子流,沒啥特殊的原因,就覺得粒子這東西比較熟悉,也就理所當然地認為光是粒子。

在17世紀之前,這種觀點沒有發生任何變化,對光的認識基本上也沒啥進展,到17世紀初這種情況發生了改變,第一個提出不同意見的人是意大利的數學家格里馬第,他發現把一個物體放在陽光下,形成的陰影邊緣是模糊的;

這讓格里瑪第想起了水波可以繞過障礙物,跑到障礙物的後面,如果把光也看成一種波,那麼一部分光就會跑到物體的陰影部分,造成陰影的邊緣不是明暗對立的分界面。

他順便給這種現象起了一個名字叫衍射,或者繞射。從此以後光除了微粒說,就有了波動說。

英國皇家學會的胡克繼承了格里馬第的思想,在1665年出版了《顯微術》,明確的支持波動說,並且描述了光在肥皂泡上映射出來的色彩。

其實這個時候,人們已經發現了波動最強有力的證據,就是衍射,不出意外的話,這時候光的波動說,已經可以拍板了,畢竟粒子無法解釋繞射。

但是上帝可能覺得,這時候讓人類知道光是波動有點不符合劇本,就想著,讓誰進去攪個局。這時,半路就殺出了個牛頓。

1666年的牛頓剛從三一學院畢業沒多久,正在家裡躲避瘟疫,牛頓大部分時間都是在燒爐子,搞煉金術,累了就玩一玩光學實驗,這兩件事是牛頓最大的愛好。

當時的光學實驗無非就是拿個透鏡,這看一看,那照一照,就這樣牛頓發現了光的色散;1668年牛頓還發明了反射式望遠鏡,相比於以前的折射式望遠鏡,反射式望遠鏡的重量更輕沒有色差。

憑藉這項發明1672年,牛頓就入選了皇家學會,他給皇家學會提交的第一篇論文就是他這些年對光學的研究,文章中總結了色散理論,並且提出光是不同顏色微粒的混合體。

其實牛頓心裡也清楚格里馬第的發現,對於光是波還是粒子,牛頓在寫這篇文章的時候,也是左右搖擺,雖然他選擇了微粒,但心裡也吃不准。不巧的是,發生了一件事,讓牛頓覺得他這輩子都要堅持微粒說,哪怕各種找補也不能放棄。

牛頓初來乍到,但胡克已經是皇家學會,在光學上的權威,胡克對牛頓的文章提出了強烈的批評,說牛頓盜用他1665年的思想,而且說微粒一無是處。

想必胡克當時也就是詐唬一下這個年輕人,但令胡克怎麼也想不到的是,他這次真的是摸到了老虎的屁股,牛頓是出了名的小心眼,驕傲,自大,自我崇拜,缺點不少,但是這架不住人家有才華呀。

從此以後胡克就成為了牛頓的眼中釘,你胡克說光是波,好,我就認為光是粒子,就這樣牛頓就成為了粒子說堅實的擁護者。

一方面牛頓的影響力日益壯大,另一方面胡克也活不過牛頓於1703年去世,第二年牛頓就發表了他的巨著《光學》,用粒子解釋了光的折射、反射,甚至連衍射現象都被牛頓神奇的用力學定律給找補回來了。

甚至牛頓還解釋了這樣一個難題,既然光是粒子,為什麼打到玻璃的時候,一些粒子就穿透了玻璃,一些卻被反射了回來?

這個問題你不學量子力學都無法解釋,而牛頓當時就看似完美地給出了答案,要不說人家牛呢。

牛頓說,光粒子在以太中傳播的時候,就會造成以太的擾動形成以太波,光粒子乘坐以太波飛行,這個以太波時而被發射,時而透射,那光粒子也跟著以太波被反射和透射。

這個說法比較神奇,說它是波粒二象性一點也搭不上邊,倒是更有點像德布羅意的導波理論。這個理論,我們後面的視頻會加以解釋。

這麼神奇的牛頓,胡克肯定不是對手,在這期間還出現了另外一個波動方面的支持者,他是荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯;

1690年惠更斯出了一本《光論》,他用波動也完美地解釋了折射和反射現象,認為衍射用波解釋起來更加的合理;

而且他還指出,如果光真的是牛頓所說的微粒,為什麼我們看不到兩條光交叉的時候,發生碰撞呢?

同樣惠更斯也阻擋不了牛頓《光學》的出版,因為惠更斯於1695年就去世了,此後牛頓又活了32年,支持波動方面的人基本上都沒活過牛頓。

不過這只是一方面,此時的牛頓已經成為了經典物理學教皇,牛頓的話都會被奉為真理,不管是誰反對牛頓,活得再長也不管用。

至此牛頓對光的解釋就統治了整個18世紀。牛頓、胡克、惠更斯之間關於光本質的爭論,史稱第一次波粒戰爭,以微粒獲勝而告終。

很明顯“微粒”的獲勝,算不上是一次全面的勝利,並沒有讓所有人都心悅臣服,更多的是牛頓的光環在發揮作用。

牛頓雖然去世了,但整個18世紀,牛頓所建立的經典力學大廈,依然金碧輝煌,牛頓的光環,依然,毫不褪色,不過這不影響革命者的出現。

1801年,新世紀剛剛開始,英國一位眼科醫生對光學非常感興趣,他就是著名的托馬斯·楊,在學習了上世紀的光學著作後,他同樣也覺得,為什麼牛頓非要繞來繞去,用力學去解釋光的衍射現象。直接用波動解釋看起來更自然一些。

同年他就提出了乾涉思想,如果光真的是波,那麼一束光在通過兩條狹縫的時候,會在屏幕上留下明暗相間的干涉條紋,如果光是粒子,那麼在屏幕上就只有兩道明亮的條紋。

這就是著名的楊氏雙縫干涉實驗,這個實驗非常的簡潔、優美,自己在家裡點個蠟燭就可以完成。

楊在發表了自己的觀點以後,由於挑戰了牛頓的權威,受到了白紙黑字惡毒的攻擊,當然這些謾罵的人都不是正兒八經的科學家,科學家還是比較有素養的,最多在背地裡嘲笑和諷刺一下;

而民間的學者就不管不顧了,寫信開罵,啥難聽說啥。楊深知自己犯了眾怒,就連忙寫了一份小冊子,印刷出版,

上面多半的文字,表達了牛頓怎麼怎麼好,自己多麼崇拜牛頓,但牛頓也可能會犯錯誤,他的權威也許會對科學的進步造成阻礙。

結果,小冊子只賣出了一份。

雖然楊的實驗並沒有徹底否定微粒說,但卻引發了第二次波粒戰爭。這次戰爭的主場並非在英國,而在法國,這也可以理解,英國人誰敢說牛頓不對,那就等著挨噴吧,在法國就不一樣了,畢竟牛頓錯了,法國人又不丟面。

而且19世紀的世界科學中心,正在從英國往法國轉移。

1819年法國的科學院就提出了一個懸賞徵文競賽,競賽的內容是:用精密的實驗確定光的衍射現象,以及用數學推倒出光經過物體時的運動情況。

一位名不見經傳的法國工程師菲涅爾就向科學院提交了一篇論文,其中涉及了一個非常精妙的實驗:圓盤衍射,還附有嚴密的數學分析來解釋實驗結果。

科學院的泊松,支持微粒說,在看了菲涅爾的論文以後認為:如果菲涅爾的結論正確的話,那麼一束光在經過一個大小合適的圓盤以後,會在圓盤陰影的中心看到一個亮斑,而且會在圓形陰影的外圍形成寬度越來越小的亮環。

在泊松看來,周圍的亮環尚且能接受,但是在圓盤陰影的中心出現亮斑絕對不可能。是騾子是馬拉出來遛一遛,一看便知,評審委員會就安排了上述實驗,結果與菲涅爾計算的完全吻合。

這個圓盤衍射的亮斑也不知道為啥,以後就被稱為了“泊松亮斑”,而不是“菲涅爾亮斑”。但是這並不影響菲涅爾跨行成為繼牛頓、惠更斯之後,第三位光學界的傳奇人物。

菲涅爾之此後還提出光不是惠更斯認為的縱波,而是橫波,類似於水波,振子上下震動,橫波就解釋了1809年人們發現的光的偏振現象,偏振說的是,光除了可以上下振,還可以躺著振,也可以有一個角度這樣來回振。

到這微粒就宣告破產了嗎?還沒有,微粒和波動還有一個存在分歧的理論預測,微粒認為光在密度大的介質,比如在水中傳播的速度比空氣中要快,而波動的預測則相反。

1850年法國人傅科測量了水中的光速,只有空氣中的3/4。從這以後微粒才徹底破產,人們才相信,原來牛頓也會犯錯誤,這簡直不可思議。

在往後的科學界中,只要科學家想表達自己的觀點受到了權威的壓制,就會拿牛頓舉例子,說牛頓權威當年怎樣壓制托馬斯·楊,阻礙科學發展,以表示自己的憤怒。

那麼接下來人們的困惑就是,光既然是一種波動,那麼它都有哪些性質?這個問題也很快有了答案。

1856年麥克斯韋統一了電磁學,順便也統一了光學,光就是電磁波的一種,這個我們之前的視頻有提到過,這裡就不多說了。

第二次波粒戰爭至此結束,相比於第一次的波粒戰爭,第二次波動的勝利可以說是完胜,所有的人都心悅誠服;

不過,事情還遠沒有結束,人類對光的認識還只是皮毛而已,以後還有很長的路要走。

1887年赫茲剛證明了電磁波的存在,到1905年,也就短短的十幾年,愛因斯坦又說光是量子化的,這再次讓人想起了以前的微粒,想起了牛頓權威的鐵腕統治。

這難免讓人反感和排斥,所以說愛因斯坦在提出光量子以後,直到1922年他獲得諾貝爾獎的時候,人們都在盡量地迴避光量子。

難道愛因斯坦就不知道光的干涉和衍射嗎?這些現像只有波動可以解釋呀,難道愛因斯坦在提出光量子的時候,以及往後的日子裡都放棄了波動嗎?

其實並沒有,愛因斯坦也知道需要波動來解釋一些波的現象,但是他也堅信光是量子化的,這一點可以在1909年9月份,他在德國自然科學協會上的一次演講中看出來,愛因斯坦一直在思考,波和粒子之間的關係。

他演講的題目是:就輻射的構成和性質,論我們觀點的發展過程,他認為:未來的物理學將會出現一個全新的、關於光的理論,波動和粒子這兩個部分不可或缺,然後說了一大堆。

普朗克第一個站起了反對愛因斯坦。

雖然沒人接受,但愛因斯坦的話可能是關於波粒二象性最早的預言了,也可以說是波爾互補原理的雛形。我之前也說過,愛因斯坦最大的優點就是,他的物理直覺,無人能及。

他也是第一個將概率解釋引入量子論的人,那已經是1916年的事了,此概率解釋非波恩對波函數的概率解釋,請不要急著噴我,這個問題我們後面會提到。

不過此時的愛因斯坦已經將研究重心放在瞭如何讓牛頓的引力方程符合洛倫茲協變性的問題,所以他在1915年之前在也沒有考慮過量子論的問題,畢竟一個人只能專心的干好一件事。

在量子論中,愛因斯坦短暫地退去,我們卻迎來了另外一位大神,他就是尼爾斯·波爾,在他的手裡量子論達到了頂峰;

從下個視頻開始,我們就要回歸量子論,進入原子世界,介紹人們如何解決原子模型,原子發射光譜,解決元素週期表排列,化學性質,等等這些19世紀遺留的問題。