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延续千年之问:光是什么?

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返朴 2021-08-01 09:00

从某种程度上来说,科学发展的历程就是对人类对于光的理解和应用的过程。从两千年前的朴素理解,到牛顿与惠更斯的微粒与波动之争,认识到波粒二象性,再到光子作为量子场的激发……一直到今天,光早已是科学研究的必备工具。光,光子,既平凡又充满惊喜。

撰文丨Amanda Solliday & Kathryn Jepsen

翻译丨Hadron

物理学家称之为光子的东西,其他人可能称之为光。作为光的量子,光子是电磁能量存在的最小单元。如果你是在屏幕或纸面上阅读这篇文章,光子流会把文字的图像信息带到你的眼睛里。

在科学上,光子的用途不仅仅在于照明。

波兰克拉科夫核物理研究所副研究员理查德·鲁伊斯(Richard Ruiz)是一位用大型强子对撞机寻找新物理的理论学家,他说道,“光子无处不在。在粒子物理学中处处有它们的身影,以至于你几乎忽略了它们的存在。”光子助力了几个世纪的科学发现,直到今天它仍然是一个重要的工具。

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图源:Sandbox Studio

从波,到粒子,再到玻色子

自古以来,人们就一直探索光的本质,早期的观点源自古埃及、美索不达米亚、印度和希腊的哲学家和学者。在17世纪末到20世纪初,科学家们在一个特别的问题上犹豫不决:光到底是粒子还是波?

1690年,惠更斯(Christiaan Huygens)出版了了关于光的著作《光论》(Traité de la Lumière)。他将光描述为波,在渗透于空间中的以太中传播。牛顿(Isaac Newton)在他1704年出版的《光学》(Opticks)一书中表示反对。理由是当光从表面反射时,它就像一个弹球,它接近反射面的夹角等于它弹出去的角度。牛顿认为,如果光是由粒子(他称之为微粒(corpuscules))构成的,那么这种现象就可以得到解释。

一块棱镜可以将一束白光折射成五彩缤纷的颜色,就像一道彩虹。牛顿注意到,当光线通过第二个棱镜再次折射时,它不再进一步分裂,彩虹的颜色保持不变。牛顿说,这可以通过假设白光是由许多不同大小的微粒组成来解释。红光是由最大的微粒组成的,而紫光是由最小的微粒组成的。牛顿思考,它们大小的差异导致了微粒以不同的速度通过玻璃,这使它们分散开来,产生不能被第二个棱镜进一步分解的彩虹。

然而,牛顿的微粒模型有一个明显的缺陷。事实上,当光穿过一个小洞时,它就像水中的波纹一样扩散开来。牛顿的微粒模型不能解释这种现象,而惠更斯的光波模型却可以。尽管如此,科学家们通常倾向于否定惠更斯的理论,而相信牛顿,毕竟后者写了《原理》这本书——科学史上最重要的书之一。

到了1801年,惠更斯的模型终于得到了一些支持,这一年托马斯·杨(Thomas Young)完成了双缝干涉实验。实验中,托马斯·杨将一束光通过两个并排的小孔,光通过小孔后会形成一种特殊的图案。在有规律的间隔中,从两个孔中产生的交叠波纹要么相互结合产生更亮的光,要么相互抵消掉,就像海浪一样。

大约50年后,另一个实验使惠更斯的光波模型处于上风。1850年,傅科(Léon Foucalt)比较了光在空气的速度和光在水中的速度,发现与牛顿的断言相反,光在密度更大的介质中并没有移动得更快。相反,就像波浪一样,它的速度变慢了。

又过了11年后,麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发表了《论物理的力线》(Physical Lines of Force)一书,他在书中预言了电磁波的存在。麦克斯韦注意到它们与光的相似之处,这使他得出结论:光就是电磁波。

惠更斯的光波模型似乎赢得了胜利。但在1900年,普朗克(Max Planck)提出了一个想法,引发出了关于光的全新概念。

普朗克把电磁波能量分成独立的能量包,由此解释了辐射的一些令人困惑的行为。1905年,爱因斯坦以普朗克能量包的概念为基础,解决了光是粒子还是波的争论,宣告两者打个平手。

正如爱因斯坦所解释的那样,光既具有粒子的性质,也具有波的性质,每个光粒子的能量对应于波的频率。他的证据源自对光电效应的研究——光将金属中的电子撞出来的一种现象。如果光只是一种连续传播的波,那么光在金属上照射足够长的时间,总是会把一个电子踢出去,因为光传递给电子的能量会随着时间积累。但是光电效应实验告诉我们并不是这样。1902年,菲利普·莱纳德(Philipp Lenard)观察到,光只有超过一定能量,或者说光超过一定频率时才能从金属中踢出电子,并且这个过程似乎是在光接触电子的瞬间发生的。在这种情况下,光更像是一个粒子,带着一份特定的能量。

另一方面,仍然有人相信光的波动模型,罗伯特·密立根(Robert Millikan)就设法推翻爱因斯坦的假设。密立根仔细测量了光电效应中光和电子之间的关系。令他惊讶的是,他反而证实了爱因斯坦的预言。爱因斯坦对光电效应的研究令他独享1921年的诺贝尔物理学奖。

1923年,亚瑟·康普顿(Arthur Compton)为爱因斯坦的光量子模型提供了额外的证据。康普顿将高能光射向材料,他假设光的行为像小台球一样,最后成功地预测了碰撞出来的电子的散射角度。化学家吉尔伯特·刘易斯(Gilbert Lewis)给这些小球起了个名字。在他1926年投给《自然》杂志的一篇文章中,他首次称它们为“光子”。

近年来,科学家思考光子的方式也一直在不断演变。

举例来说,光子现在被称为规范玻色子。规范玻色子是一种传递力的粒子,它能使物质粒子之间产生基本相互作用。就拿原子来说,原子核中带正电的质子与环绕它们的带负电的电子通过交换光子,产生了电磁相互作用。

另外,光子现在不仅被认为是一种粒子,一种波,还是一种激发——有点像量子场论里的波。量子场,如电磁场,是一种弥漫在空间中的能量和势。物理学家认为每一个粒子都是相应量子场的激发。(参见《粒子到底是什么?文小刚点评 | 众妙之门》)

“我喜欢把量子场想象成一个平静的池塘表面,开始你什么也看不见。然后你扔一块鹅卵石进去,水就会弹起来一点。这就是一个粒子。”鲁伊斯说。

图源:Sandbox Studio

作为一种工具的光子

无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线,所有这些都是光,也就是说它们都是由光子组成的。

光子就在你周围“上班”。它们奔波于相互连接的光纤中,传递互联网、电视和手机等各种设备的信号;塑料的升级改造少不了它们“搬砖”,它们将物体分解成可以用于组成新材料的小单元;它们也常在医院显露身手,激光会瞄准并摧毁癌变组织……还有,它们是各种科学研究的关键。

光子在宇宙学研究中是必不可少的,研究宇宙的过去、现在和未来都需要用到光子。科学家们通过检测恒星发出的电磁辐射——比如无线电波或可见光——来研究它们。天文学家对天空进行微波成像,绘制出我们的星系及邻居的太空地图;要了解被宇宙尘埃遮住的远处恒星,他们要探测从那里发出的红外光。有些天文学家要收集银河系和更遥远的地方高能天体发出的强烈信号,它们可能是以紫外线、X射线或伽马射线的形式存在。他们还能探测到微弱的信号,比如被称为宇宙微波背景的微弱的光模式,它们记录了大爆炸后几秒钟宇宙状态的信息。

光子持续在物理学中发挥重要作用。

2012年,大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的科学家通过研究希格斯玻色子衰变产生的光子对,从而发现了它。

物理学家唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)开发了由高度聚焦的超强超短激光脉冲,因此分享了2018年的诺贝尔物理学奖。

所谓的光源,是可以产生强烈的X射线、紫外光和红外光的仪器,这一工具帮助科学家分解最快的化学过程,并从分子的程度上测试材料。斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne说:“整个电磁光谱,光子为我们提供了关于世界如此之多的信息。”Dionne的研究方向是纳米光子学,这是物理学中的一个分支领域,物理学家通过控制光来研究其与分子和纳米尺度结构的相互作用。她的实验室还利用光子来提高催化剂的效果,催化剂是用来启动高效化学反应的物质。

“光-光子,在化学中是一种人们通常不会想到的试剂。” Dionne说,“人们经常考虑添加新的化学物质来实现某种反应,或者控制溶液的温度或pH值。光可以带来一个全新的维度,它是一个全新的工具包。”

一些物理学家甚至在寻找新的光子类型。理论上的“暗光子(dark photons)”可以作为一种新的规范玻色子,它们传递暗物质粒子之间的相互作用。

“光子总是充满惊喜。” Dionne说。

原文链接:What is a photon?https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-a-photone

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