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深度長文:光無處不在,但光到底是什麼?
2023/10/14

光由數十億微小的光束組成

想象一下,一縷金黃色的陽光透過窗戶照進來。量子物理學認為,光由數十億微小的光束組成,稱為光子,在空氣中流動。但究竟什麼是光子呢?

光子的定義

光子是電磁輻射的最小離散量。它是所有光的基本單位。

光子始終處于運動狀態,并且在真空中,光子以恒定速度向所有觀察者行進,每秒299792458 m / s。這通常被稱為光速,由字母 c表示

根據愛因斯坦的光量子理論,光子的能量等于其振蕩頻率乘以普朗克常數。愛因斯坦證明光是光子流,這些光子的能量是它們振蕩頻率的高度,光的強度對應于光子的數量。基本上,他解釋了光子流既可以作為波也可以作為粒子存在,這就是「波粒二象性」。

光子的屬性

光子的基本屬性是:

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它們具有零質量和靜止能量。它們僅作為移動粒子存在。盡管缺乏靜止質量,它們仍然是基本粒子。它們沒有耗費電能。它們很穩定。它們是旋轉粒子,光子的自旋為1,使它們成為玻色子。它們帶有能量和動量,這取決于頻率。它們可以與其它粒子(如電子)相互作用,例如康普頓效應。它們可以被許多自然過程破壞或產生,例如當輻射被吸收或發射時。在空曠的地方,它們以光速行進。

人類對光的認知歷史

光的本質,無論你把它看作是粒子還是波,都是最大的科學爭論之一。幾個世紀以來,哲學家和科學家一直在爭論,幾乎沒有形成最終定論。

公元前六世紀的印度教一支叫做勝論派的哲學分支對光有著驚人的物理直覺。像古希臘人一樣,他們過去認為世界是基于土,空氣,火和水的「原子」。光本身被認為是由非常快速移動的原子 tejas構成的。 這與我們現代的光學理論及其組成光子非常相似。

公元前300年左右,古希臘物理學家歐幾里德在他假定光線直線行進時取得了巨大的突破。

歐幾里德也描述了折射的規律。

文藝復興迎來一個對光的本質進行科學探究的新時代。值得注意的是勒內·笛卡爾在一篇名為1637年文章中認為光是由脈沖組成的,當在媒介中接觸「球」時瞬間傳播。克里斯蒂安·惠更斯揭示了如何制作反射,折射和屏蔽的光波,并解釋了雙折射。

到這時,科學家已經分成了兩個根深蒂固的陣營。一方認為光是波,而另一方認為光是粒子或小的物體。被廣泛認為是有史以來最偉大科學家的艾薩克·牛頓并不喜歡所有的波浪理論,因為這意味著光能夠偏離陰影太遠。

在18世紀的大部分時間里,微粒理論主導了圍繞光的本質的爭論。但是,1801年5月,托馬斯·揚開啟了著名的雙縫實驗,在那里他證明了光波的干擾。

雙縫實驗

在實驗的第一個版本中,揚實際上沒有使用兩個狹縫,而是使用一張紙蓋住一扇窗戶,里面有一個小洞,用來漏出一道薄薄的光線。

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隨著紙張在他手中移動,楊目睹了光束如何分裂成兩半。從紙張的一側穿過的光干擾來自另一側的光以產生條紋,這可以在相對的墻壁上觀察到。後來,揚利用這些數據計算出各種顏色光的波長,并且非常接近現代值。

該演示提供了有力的證據,證明光是波,而不是粒子。

與此同時,法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳在1821年表明,如果光是沒有縱向振動的橫波,就可以解釋極化。此前,菲涅耳還提出了精確的衍射波理論。

當時,牛頓的追隨者幾乎沒有有力的證據來繼續辯論。似乎光是一種波。問題在于傳說中的「以太」(這是支持電磁場并產生菲涅耳傳播規律所需的神秘媒介),盡管每個人都盡力在尋找它,但卻失敗了。

1861年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在20個方程中濃縮了關于電和磁的實驗和理論知識,取得了巨大的突破。麥克斯韋預測了一種「電磁波」,即使在真空中,也可以在沒有傳統電流的情況下自我維持。這意味著光傳播不需要以太!

麥克斯韋在1865年寫道:「結果的一致性似乎表明光和磁是相同物質的影響,光是根據電磁定律在場內傳播的電磁干擾。

從那天起,光的概念首次與電和磁的概念聯合起來。

1900年12月14日,馬克斯·普朗克證明了熱輻射是在離散的能量包中發射和吸收的量子。後來,阿爾伯特·愛因斯坦在1905年表明,這也適用于光。愛因斯坦使用了光量子( Lichtquant)這個術語。

20世紀初,物理學的新革命將再次依賴于光的本質。這一次,它不是關于光線是粒子還是波浪,是否是兩者兼而有之。

現代光與光子理論

愛因斯坦認為光是粒子(光子),光子流是波。這位德國物理學家確信,在發現光電效應之后,光具有粒子性質,其中電子從暴露在光線下的金屬表面飛出。如果光是波,那就不可能發生。另一個令人費解的問題是當施加強光時光電子如何繁殖。愛因斯坦通過說「光本身就是一個粒子」解釋了光電效應,他後來獲得了諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦光量子理論的要點是光的能量與其振蕩頻率有關。他認為光子的能量等于「普朗克常數振蕩頻率」,這個光子能量是振蕩頻率的高度,而光強度對應于光子數量。

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光的各種特性是一種電磁波,是由于肉眼看不到的稱為光子的極小粒子的行為。

愛因斯坦推測,當物質內的電子與光子發生碰撞時,前者會吸收后者的能量并飛出,并且發射的光子的振蕩頻率越高,飛出的電子能量就越大。太陽能電池板就是這樣。簡而言之,他說光是光子流,這些光子的能量是它們振蕩頻率的高度,光的強度與光子的數量有關。

愛因斯坦能夠通過他對光電效應的實驗得出普朗克常數來證明他的理論。他的計算結果顯示普朗克的常數值為 h=6.62607015×10^(-34) J·s,這正是馬克斯普朗克通過他對電磁波的研究在1900年得出的數值。毫無疑問,這指出了作為波的光的性質和振蕩頻率之間的密切關系以及作為粒子的光的性質和動量。後來,在20世紀20年代,奧地利物理學家歐文·薛定諤用他的量子波函數方程詳細闡述了這些觀點,以描述波的樣子。

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首張光是粒子又是波的照片

自愛因斯坦展示光的雙重性質以來已有一百多年的歷史,瑞士洛桑聯邦理工學院的物理學家捕捉到了這種雙重行為的首張快照。由Fabrizio Carbone領導的團隊在2015年進行了一項巧妙的實驗,其中使用激光射擊納米線,導致電子振動。光在這兩條可能的方向上沿著這條細線傳播,就像高速公路上的汽車一樣。當沿相反方向行進的波浪彼此相遇時,它們會形成一個看起來像是站在原位的新波浪。在這里,該駐波成為實驗的光源,在納米線周圍輻射。發射了一束新的電子來對駐波光進行成像,它可以作為光波特性的指紋。結果如上圖所示。

光子看起來像什麼

你有沒有想過光子是什麼形狀?幾十年來,科學家們一直在思考這個問題。

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第一張單一光粒子的全息圖

2016年,波蘭物理學家創造了第一張單一光粒子的全息圖。華沙大學的團隊通過在由方解石晶體制成的分束器同時發射兩束光束來制作全息圖。分束器類似于交通燈交叉點,因此每個光子可以直接通過或轉彎。當光子本身時,每條路徑都是同樣可能的,但當涉及更多光子時,它們會相互作用并且幾率會發生變化。如果你知道其中一個光子的波函數,就可以從探測器上出現的閃光位置中找出第二個光子的形狀。得到的圖像看起來有點像馬耳他十字架,就像從薛定諤方程預測的波函數一樣。

關于光子的5個事實

光不僅由光子組成,而且所有電磁能(即微波,無線電波,X射線)都由光子組成。最初的光子概念是由愛因斯坦提出來的。然而,科學家吉爾伯特·牛頓·路易斯首先用「光子」這個詞來形容它。聲稱光表現為波和粒子的理論稱為波粒二象性理論。光子始終是電中性的。他們沒有耗費電能。光子不會自行衰變。

光子概念的價值

光子的概念帶動了理論和實驗物理學在多個領域的巨大進展,例如激光、玻色-愛因斯坦凝聚、量子場論、量子力學的統計詮釋、量子光學和量子計算等等。

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在物理學外的其他領域里,光子概念也具有很多重要應用,比如光化學、高分辨顯微術,以及分子間距測量等。

在當代相關研究中,光子是研究量子計算機的基本元素,也在復雜的光通信技術,例如量子密碼學等領域有重要的研究價值。

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