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光是波还是微粒?物理学界的博弈,量子力学的起源!

关于光是波还是微粒,这个问题要追溯到很久以前了,十七世纪中期的时候物理界对于光的看法就有两种:微粒说和波动说,直到1704年牛顿发布了他的巨作 《光学》,在他的论述中牛顿详细阐述了光的颜色叠合与分散, 从粒子的角度解释了薄膜透光, 他驳斥了波动理论,他质疑光要是如同声波一样,为什么无法绕开障碍物,他还对双折射现象进行了研究,提出了许多在当时用波动论无法解释的问题。

由于当时的牛顿影响力非常巨大,光的微粒说受到了广泛认可,波动说遭受到毁灭性的打击,在那以后长达一个世纪里都抬不起头,然而真理是永远蒙蔽不了的,波动学说并没有全军覆没,而是躲在角落里休养生息等待时机。

直到1807年,一个叫做托马斯.杨的英国男孩拉开了为波动学说平反的大旗,这位杨总在他的书《自然哲学讲义》里描述了他那个后来扬名四海的实验:光的双缝干涉。

这个实验极其简单:把一只蜡烛放在一张张开了小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源,现在在纸的后面再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝,从小孔中射出的光穿过两单狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、暗交替的条纹,这就是现在众人皆知的干涉条纹。

光的双缝干涉

这个实验的结论是无法用微粒学说来解释的,两道光叠加在一起怎么反而造成黑暗,而波动学的理由就很简单,两条缝屏幕上的某个点距离会有所不同,当这个距离差是波长的整倍数时,两列光波正好加强,于是形成亮带, 反之,当距离差刚好造成半个波长的相位差时,两列波就正好相互抵消,这个地方就变成暗带,如下图

光的干涉现象原理图

实验点燃了革命的导火索,物理史上的又一次波粒战争开始了!这个简单巧妙的实验揭发出的现象证据确凿,几乎无法反驳,无论微粒怎么努力,也无法躲避对手无情的轰炸。

而微粒说被彻底打败是在1856年麦克斯韦发表的电磁理论论文,麦克斯韦表示光是电磁波的一种,只不过普通光的频率正好能被我们的眼睛所感觉到罢了。

凭借麦氏理论,波动学变得空前强大,他彻底的把微粒打倒,并且很快开疆扩土,建立起一个空前强大的大帝国,他的领土横跨整个电磁波的频段,从微波到x射线,从紫外线到红外线, 从普通光线只是它统治下的小国家罢了,可怜的微粒学早已销声匿迹,似乎永远也无法翻身了...

故事当然不会这样结束!

麦克斯韦的一个学生通过实验证实了麦氏理论的正确性,他就是赫兹,而他再做这个实验的时候又意外的发现了其他东西,由于当时的人们沉醉于麦克斯韦方程式的光辉之下,并没有把这个小插曲当一回事。

但是真理是不容蒙蔽的,终究还是有人发现了这个问题,并进行深入的研究,

不久之后事实就很清楚了,这就是光电效应:当光照射到金属上时会从他的表面打出电子来。

原本束缚在金属原子内部的电子,不知道是什么原因,一暴露在一定光线之下,就如同惊弓之鸟纷纷往外逃窜,就像见不得光的吸血鬼家族一样..

这还不是最奇怪的,后来人们发现,能不能从金属上打出电子跟光的强度无关,只跟光的频率有关!根据波动学说,光是一种电磁波,增加波的强度,也就是增加波的能量,这么来说强烈的光应该要比弱的光打出更多的电子。

但是事情并没有那么简单!

后来人们通过实验证明:低频的光线无论怎么增加光的强度都无法打出电子,而高频的紫外线即使再弱都能打出电子,....这..不是开玩笑嘛..

举个例子,你是猎人去抓兔子,兔子都躲在洞里不出来,聪明的猎人知道笨兔子敲锣打鼓就能把它吓出来,而聪明的兔子要灌水才能把它吓出来, 也就是说用你采用的办法决定你能不能把兔子赶出来,

而我们假设本地有1000个兔子洞,那么同时能吓出多少兔子则取决于你有多少人,

但是在实际打猎中,你突然发现,一切都是骗人的!兔子出不出来不取决于采用的手法,而是有多少人同时下手! 如果只对一个兔子洞行动,哪怕天打五雷轰都没兔子出来,

相反,有多少兔子被赶出来,跟我们人数没关系,而是跟手法有关系,哪怕我们有一千个人同时对着兔子洞敲锣打鼓,最多只有一个兔子出来,而只要10个人一起灌水,就会有1000个兔子四处乱窜....

有多少兔子出来,只跟采用的手法有关系?

科学家们发现,在光电问题上,他们面临跟猎人一样的尴尬..而高贵的麦克斯韦理论在光电面前也是一头雾水...

直到后来爱因斯坦提出的光量子的概念才解决了这个问题。

光量子?光子?难道光不是一个波吗?光子又是什么东西呢?

仿佛宿命一般,历史再转了一个大圈之后,又回到了起点,这次是粒子和波动的最终对决。

这次对决堪称世界末日,一切在毁灭后才得到重生.最终的结论是粒子具有波粒二象性(既是波又是粒子)...这也就是量子力学的基础理论。

当你用康顿普效应观察他时 他是粒子,当你用双缝实验来观察他就是波..听起来不可思议?没关系 就连爱因斯坦都不赞同这种观点,他说:‘上帝不掷骰子’.. 但目前来看事实就是这样,这就是粒子的不确定性。

这也不能怪爱因斯坦太古板,因为物理学统治整个宇宙,上到最大的星系,下到最小的原子,行星的自转,万物的运动,无不在物理学的统治之下,物理学解释过去,预测未来,这是每个物理学家的信仰,你现在要告诉他有东西是物理学无法掌控的?他肯定接受不了..

爱因斯坦认为,不存在不确定性,一定是有哪里是我们不知道的才会导致这种结果,他后来的一生都想解开这个谜团,然而并没有成功。

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