到底什麼是光子？這是困擾物理學界幾十年的一個謎題 |2024 小葫蘆的宇宙頻道

什麼是光子? 這個問題看似簡單 卻困惑了無數的科學家 光子是光的粒子 也是電磁力的載體 也是電磁輻射的最小單位 光子無處不在 當你打開手機屏幕 眼前的世界是如何呈現出來的? 當你聽到廣播裏傳來的聲音 是什麼讓你能夠收聽到遠方的信息? 當你把磁鐵貼在冰箱上 是什麼讓它們能夠緊緊地粘在一起? 答案是 光子 光子是一種神奇的存在 光子是我們瞭解這個世界的重要媒介 也是我們探索宇宙的重要工具 什麼是光子? 光子是攜帶電磁力的基本亞仁子粒子 或者用更簡單的話說 它們是光的粒子 光子也是電磁輻射的量子 或者基本單位 每個人都被光子包圍着 你正在看的屏幕發出的光 是由光子組成的 醫生用來看骨頭的X射線 是由光子組成的 汽車裏的收音機接收到的信號 是由光子傳送的 冰箱上的磁鐵用光子來支撐自己 要了解光子 我們必須先了解光 光是一種電磁波 它是由膠變的電場和磁場組成的 光的波長和頻率 決定了它的顏色和能量 不同波長的光構成了電磁谷 從無線電波到伽馬射線 覆蓋了一個極廣的範圍 我們的眼睛只能看到其中一小部分 即可見光 光的波動性可以解釋很多光學現象 如反射 折射 幹射 偃射 偏振等 這些現象都遵循麥克思維的電磁理論 它是經典物理學的一個重要成果 然而光的波動性並不能解釋所有的現象 在19世紀末 物理學家發現了一些 與經典理論不符的實驗結果 如黑體輻射和光電效應 黑體輻射是指一個理想的 吸收和發射所有光的物體 在不同溫度下發出了光的光譜 根據經典理論 黑體輻射的能量 應該隨着頻率的增加而無限增加 這就是著名的紫外災難 但是實驗表明 黑體輻射的能量在一定的頻率後會下降 與理論不一致 爲了解決這個問題 德國物理學家普朗克提出了一個大膽的假設 光的能量不是連續的 而是以一定的最小單位 極量子 來發射和吸收的 這個量子的大小與光的頻率成正比 比例係數就是普朗克常數 這個假設成功地解釋了黑體輻射的實驗數據 也開創了量子物理學的先河 光電效應是指 當光照射在金屬表面時 會使金屬釋放出電子的現象 根據經典理論 光的能量與其強度成正比 與其頻率無關 因此 只要光的強度足夠大 任何頻率的光 都可以使金屬釋放出電子 但是實驗表明 只有當光的頻率高於一個臨界值時 才能使金屬釋放出電子 而且釋放出的電子的能量與光的頻率成正比 與光的強度無關 這些結果與經典理論完全相反 爲了解釋這個現象 愛因斯坦借用了普朗克的量子假設 提出了光子的概念 他認爲 光不僅是一種波 也是一種粒子 每個光子的能量與其頻率成正比 當光子撞擊金屬表面時 它會把自己的能量全部轉移給一個電子 如果這個能量大於電子的束縛能 電子就會逃離金屬 這樣就可以解釋光電效應的實驗結果 也爲光的粒子性提供了有利的證據 愛因斯坦因爲這個理論 而獲得了1921年的諾貝爾物理學獎 和所有其他的亞原子粒子一樣 光子表現出波粒二象性 意味着它們有時候表現得像微小的粒子 有時候又表現得像波 光子沒有質量 所以它們可以在真空中以光速移動 並且可以移動無限的距離 雖然物理學家對光的本質研究了幾個世紀 但是關於光是由微小的粒子組成 還是具有波動性的爭論一直沒有停止 普朗克 愛因斯坦和其他人 對光的本質的研究促進了量子力學的發展 嚴格地說 光子既不是粒子也不是波 它們是兩者的結合 在某些情況下 它們的粒子性更明顯 而在另一些情況下 它們的波動性更顯著 例如 一個探測器可以註冊到一個單個光子的到達 它表現得像一個點狀的粒子 一種叫做康普頓散射的過程 涉及到一個光子撞擊一個電子 在那種情況下 光子表現得像一個粒子 普朗克和愛因斯坦的理論 引發了一場物理學的革命 也引起了一場關於光的本質的爭論 光到底是波還是粒子 或者說光是一種怎樣的東西 既能表現出波的特徵 又能表現出粒子的特徵 這個問題困擾了物理學家幾十年 直到1924年 法國物理學家德布羅伊 提出了一個驚人的假設 不僅光 所有的物質都具有波粒二象性 他認爲 每個物質粒子如電子 都可以用一個波來描述 這個波的波長與粒子的動量成反比 這個假設得到了後來的實驗驗證 也爲量子力學的建立奠定了基礎 量子力學是一種描述微觀世界的物理理論 他認爲 光子既不是純粹的波 也不是純粹的粒子 而是一種既有波性又有粒子性的量子對象 在不同的情況下 光子會表現出不同的性質 這取決於我們用什麼樣的實驗方法來觀察它 在量子力學中 我們不能同時確定光子的位置和動量 也不能同時確定光子的能量和時間 這就是著名的海森堡不確定性原理 我們也不能用確定的數值來描述光子的狀態 而只能用概率來描述 光子出現在某個狀態的可能性 字幕由Amara.org社區提供