光的本质是波还是粒子呢？

光的本质是波还是粒子？

“光就像雨滴一样，每一小块光都被称为光子，如果光都是一种颜色，那么所有的”雨滴“都是一样的。— 理查德·费曼

光是我们眼睛可以看到的一种能量。它是电磁辐射的一个更大家族的一部分，其中包括无线电波、X 射线等。当我们谈论可见光时，我们谈论的是我们看到的颜色，比如红色和蓝色。

电磁波谱

把光想象成波浪，每种颜色都有其特殊的波浪大小。我们能看到的波长从400到700纳米不等。光以称为光子的微小粒子的形式在空间中传播，它们的行为既像波又像粒子。

这种波和粒子行为的混合是科学家喜欢在现代物理学中探索的东西。可见光的范围通常为 420 至 680 纳米，但在某些条件下，人们可以看到至少 1,050 纳米的红外线。

年轻人甚至可能看到一些紫外线，小到大约310-313纳米。所以，它就像一个五颜六色的波浪光谱，有些是我们可见的，有些是看不见的，不同的动物根据这些波浪以独特的方式看待世界。

测量光速的历史努力

真空中的光速是一个基本常数，精确定义为每秒 299,792,458 米，大约每秒 186,282 英里。该定义与米相关联，使其成为国际单位制 （SI） 中的固定值。所有形式的电磁辐射，包括光，在真空中以这种恒定速度传播。

长期以来，科学家们一直对光的传播速度感到好奇。早在17世纪，伽利略就试图弄清楚这一点。然后，在1676年，一个名叫Ole Rømer的人用望远镜观察了木星的卫星Io。

通过注意到其轨道的变化，他估计光穿过地球轨道大约需要22分钟。如果他知道当时地球轨道的大小，他得出大约每秒 227,000,000 米的速度。

这是 Fizeau 装置的示意图。光线在出路时从牙齿的一侧通过，在返回途中从另一侧通过，假设齿轮在光的传输过程中旋转一个牙齿。

1849 年，Hippolyte Fizeau 实现了更准确的测量。菲索将光束对准几公里外的一面镜子，并使用旋转的齿轮测量光速为每秒 313,000,000 米。

1862年，莱昂·福柯Léon Foucault使用旋转镜进行了实验，并获得了每秒298,000,000米的值。

从1877年到1931年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert A. Michelson）使用改进的旋转镜进一步完善了这些测量结果。

1926 年，他从威尔逊山到加利福尼亚州的圣安东尼奥山进行了实验，以每秒 299,796,000 米的速度精确测量光速。

光如何塑造我们对世界的感知？

在7500万光年外的照片中观察星系意味着你看到的不是它目前的状态，而是当你看到的光在7500万年前离开时它的存在。

这意味着这张照片捕捉到了恐龙是地球上占主导地位的生命形式的银河系，而你只是那个时代微型哺乳动物小脑袋中的一个概念。

你可能熟悉这样的想法：当你看到7500万光年外的星系的照片时，你看到的不是现在的样子，而是7500万年前光开始旅行时的样子。发生这种情况是因为光需要时间来传播，而光速是有限的。

所以，当你看着远处的物体时，你实际上是在回顾过去。想想星系在数百万年的时间里演化是很有意思的，但这里有一个转折点——你不需要数十亿光年外的星系来体验这种时间旅行的概念。

在日常生活中，它无处不在。你基本上被时间的流动所吸引，你和你所看到的任何东西之间的距离会影响你对时间的感知。

想象一下，你正在看两米外的一把椅子。从那把椅子发出的光只用了十亿分之六秒（纳秒）就能到达你的眼睛。

这是很短的时间，但这里有一个问题：当你看到事物时，你看到的是它们，就像光线离开它们时一样。

你永远无法看到现在的世界。现在，想想一米外的一张桌子。这张桌子发出的光只花了三纳秒就到达了你，因为它离椅子的距离只有一半。

尽管椅子和桌子似乎在你的当下，但你看到的“现在”是来自过去不同时刻的光线的混合。你的“现在”就像一个由重叠的“然后”组成的拼图。

把你的世界想象成一条拼凑而成的被子，由散落在不同时间线上的时刻缝合在一起。活在当下不仅仅是体验事物的本来面目。

这就像展开一幅用过去的线编织的挂毯。你周围的一切——椅子、桌子、房子，甚至月亮和星星——都有其独特的历史。

但是，当你置身于这种不拘一格的混合之中时，它们都会聚集在一起，塑造你称之为生命的转瞬即逝的时刻。奥秘在于创造一个现实，从你活在当下的强大幻觉中不可否认地感觉真实。

慢动作中的光

在各种含有普通物质的透明物质中，光速比在真空中慢。例如，在水中，光在真空中以大约四分之三的速度传播。

铷原子气体的速度分布数据，证实了物质的新相——玻色-爱因斯坦凝聚态的发现。

左图——就在玻色-爱因斯坦凝聚体出现之前。

中 — 紧接冷凝水出现后。

右 — 进一步蒸发后，留下几乎纯净的冷凝物样品。

有报道称，两个独立的物理学家团队声称，通过将光通过元素铷的玻色-爱因斯坦凝聚物，使光“完全静止”。

一个团队来自哈佛大学和马萨诸塞州剑桥的罗兰科学研究所，另一个团队来自同样位于剑桥的哈佛-史密森尼天体物理中心。

然而，重要的是要澄清，在这些实验中，光被“停止”的流行概念是指在原子的激发态中存储光的过程。

然后，当第二个激光脉冲刺激时，这种存储的光会在以后的时间重新发射。值得注意的是，在它被“停止”的那段时间里，它已经不再像光一样发挥作用。

光压动力学

当光线照射到液体表面时，其中一些会反弹回来，其余的会通过。最近的实验首次揭示了液体的表面向内弯曲。这意味着光对流体施加压力。图片来源：Zhang， et al.

光对其路径上的物体施加物理压力，这种现象可以用麦克斯韦方程组来解释，但通过光的粒子性质更容易理解。

在这种情况下，光子与物体碰撞，传递它们的动量。光施加的压力是通过将光束的功率除以光速来计算的。

然而，由于 c 的数量级很高，光压对日常物体的影响通常可以忽略不计。理论上可以翻动一分钱的硬币，但实现这一目标需要一个不切实际的数字——大约 300 亿个 1 毫瓦激光笔！

 

然而，在纳米机电系统（NEMS）等纳米级应用中，光压的影响变得更加显着。研究人员积极探索利用光压来驱动NEMS机制和切换集成电路中纳米级物理开关的方法。

在更大的尺度上，轻微的压力会影响小行星的旋转，使它们旋转得更快，就像风车叶片一样，形状不规则。此外，目前正在研究开发可以在太空中推动宇宙飞船的太阳帆的概念。

由于光压的作用，阿尔伯特·爱因斯坦在1909年预言了“辐射摩擦”的存在，这与物质的运动相反。

在他的解释中，他指出辐射对板的两侧施加压力。如果板是静止的，则两侧的压力相等。

但是，如果板在运动中，则在面向运动方向的表面（前表面）上反射的辐射比在另一侧（背面）反射的辐射更多。

这种压力的不平衡会产生一种力，阻碍板的运动并随着其速度的增加而增加。爱因斯坦将这种合力称为“辐射摩擦”。

通常，光的动量与其运动方向一致。然而，在像倏逝波这样的情况下，动量与传播方向是横向的。

光如粒子

微粒理论的思想认为，光是由称为“微粒”的微小粒子组成的，这些粒子总是沿直线运动。

皮埃尔·加森迪Pierre Gassendi喜欢称为原子的微小粒子的想法，他在1660年代提出光是由这些粒子组成的。

这个想法后来得到了艾萨克·牛顿的支持。他认为光粒子从光源向各个方向发出，当波弯曲时会抑制波的行为，并且光会直线传播。他的理论解释了表面反射，但在光线弯曲穿过材料方面遇到了困难。

牛顿认为，由于更强的引力，轻粒子在密度较大的物质中加速，记录在1704年的“Opticks”中。

尽管它很受欢迎，但这一理论面临着挑战，特别是在解释偏振等现象方面——光波是如何排列的。

艾蒂安-路易·马鲁斯Étienne-Louis Malus和让-巴蒂斯特·比奥Jean-Baptiste Biot在1810年和1812年使用数学来支持牛顿的极化粒子理论。当时，许多人将偏振视为支持光粒子性质的证据。

光如波

罗伯特·胡克Robert Hooke在他1665年的著作《显微文字》Micrographia中发展了一种“脉冲理论”来解释颜色的起源。他在观察九中将光的传播比作水中的波浪。

到1672年，胡克提出光的振动可以垂直于其传播方向。克里斯蒂安·惠更斯Christiaan Huygens于1678年提出了光的数学波动理论，并将其发表在1690年的著作《光论》中。

惠更斯提出，光在他称之为发光以太的介质中以一系列波的形式向各个方向发射。根据这一理论，由于波不受重力的影响，因此假设它们在进入密度较大的介质时会减慢速度。

托马斯·杨Thomas Young在1800年提出的光波动理论预测，光波可以相互干扰，就像声波一样。杨的衍射实验表明，光的行为表现为波。

棱镜分散光线，描绘了各种波长的光

他还提出，不同波长的光会产生不同的颜色，用眼睛中的三色受体来解释色觉。波浪理论的支持者莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）在1746年认为，衍射可以更好地用波来解释。

1816年，安德烈-玛丽·安培（André-Marie Ampère）与奥古斯丁·让·菲涅耳Augustin-Jean Fresnel分享了一个想法，即如果光是横波，则可以用波动理论来解释光的偏振。

菲涅耳独立地发展了他的光波动理论，并于 1817 年将其提交给科学院。西蒙·丹尼斯·泊松SiméonDenis Poisson为菲涅耳的工作增添了新的内容，为支持波动理论并挑战了牛顿的微粒理论创造了令人信服的论据。

光的偏振

到1821年，菲涅耳在数学上证明，只有当光完全横向，没有任何纵向振动时，偏振才能用波动理论来解释。然而，波动理论的弱点是需要一种类似于声波的介质。

惠更斯在1678年提出的称为发光以太的假想物质在19世纪后期由于迈克尔逊-马利实验而受到质疑。

牛顿的微粒理论表明，光在密度较大的介质中传播得更快，而波动理论则相反。当时，精确测量光速具有挑战性。

莱昂·福柯（Léon Foucault）在1850年实现了足够精确的测量，支持了波动理论，并导致了经典粒子理论的放弃，直到20世纪才部分重新浮出水面。

桥接光和电磁

法拉第旋转器是一种利用法拉第效应旋转光偏振的装置。当光在沿其长度存在静态磁场的情况下穿过材料时，就会发生这种效应。

1845年，迈克尔·法拉第Michael Faraday做出了一项重大发现，称为法拉第旋转。当磁场的方向影响偏振光穿过某些材料的方式时，就会发生这种情况。

法拉第认为这表明光和电磁之间存在联系。1846年，他猜测光可能是沿着磁力线传播的扰动。然后，在1847年，他提出光是一种电磁学的高频振动，即使没有像以太这样的介质，也可以移动。
 

电磁辐射由电磁波组成，电磁波是电场和磁场的同步振荡

法拉第的想法启发了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）研究电磁辐射和光。麦克斯韦发现电磁波可以以恒定的速度在太空中传播，与光速相同。

他在 1862 年写了这篇文章，并于 1873 年出版了《电与磁论》，用数学解释了电场和磁场，称为麦克斯韦方程组。海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）后来通过在实验室中制造和检测无线电波证实了麦克斯韦的理论，表明这些波的行为类似于可见光。

普朗克、爱因斯坦和光量子的诞生

1900年，马克斯·普朗克提出了一个开创性的想法来解释黑体辐射。他认为，虽然光的行为像波，但它只能获得或失去与其频率相关的离散能量。

普朗克将这些离散的光能包命名为“量子”，源自拉丁语，意思是“多少”。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年利用光量子的概念来阐明光电效应，提出这些量子具有有形的存在。

1923年，亚瑟·霍利·康普顿（Arthur Holly Compton）证明，在从电子散射的低强度X射线中观察到的波长偏移，称为康普顿散射，可以用X射线的粒子理论来解释，而不是波动理论。

1926年，吉尔伯特·刘易斯（Gilbert N. Lewis）为这些光量子粒子创造了“光子”一词。

归根结底，现代量子力学理论在某种意义上将光描绘成粒子和波，同时也承认它是一种现象，并不完全属于任何一类。

现代物理学认为光是可以用数学来描述的东西，适合于粒子或水波等宏观隐喻，但它仍然是无法完全掌握的东西。

例如，电磁辐射，包括参与康普顿散射的无线电波和X射线，在较低频率下表现出类似于经典波的行为，在较高频率下表现出类似于经典粒子的行为，但并不完全符合任何一种模型。

可见光落在中频范围内，可以使用波或粒子模型或有时两者兼而有之进行实验描述。

2018年2月，科学家报告发现了一种新形式的光，可能涉及极化激元。这一发现为量子计算机的发展带来了希望。

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员在一张快照中捕捉到光的双重性质

洛桑联邦理工学院EPFL的科学家们已经成功地捕捉到了这种双重行为的首次快照。

在一项开创性的方法中，洛桑联邦理工学院的研究人员成功地拍摄了有史以来第一张同时展示波和粒子特性的光快照。这一重大成就已发表在《自然通讯》上。

在洛桑联邦理工学院（EPFL）的Fabrizio Carbone的领导下，一个研究小组进行了一项开创性的实验，使用电子对光进行成像。在一个非凡的转折中，研究人员成功地捕捉到了同时表现出波和粒子特征的光的单一快照。

在实验中，一束小激光照射到一根细小的金属线上，使其带电粒子振动。就像高速公路上的汽车一样，光线沿着电线双向传播，在波浪相遇的地方产生驻波。

这个驻波成为光源，在导线周围传播。为了捕获它，电子流被发送到靠近导线的地方，与受限光相互作用。

电子要么加速，要么减速，通过使用超快显微镜来跟踪这一点，科学家们可以看到驻波，表明光的作用就像波一样。

这种现象不仅说明了光的波状特性，同时也展示了其粒子性质。当电子靠近驻波时，它们会与光的粒子或光子相互作用。

这种相互作用会影响它们的速度，导致它们移动得更快或更慢。速度的变化被观察到为电子和光子之间的能量“包”（量子）的交换，表明纳米线上的光表现为粒子。

Fabrizio Carbone表达了该实验的重要性，他说：“这个实验表明，我们第一次可以直接拍摄量子力学及其悖论性质。

通过双缝探究光的本质

是波还是粒子？

很久以前，科学家们就光争论不休——有人说它是波浪（就像水中的涟漪），也有人说它是微小的粒子。

为了解决这个问题，一个名叫托马斯·杨（Thomas Young）的聪明人在1801年进行了双缝实验。

现在，想象一下你有一堵有两个缝隙的墙。如果你向它扔石头（颗粒），你会期望另一边有两堆石头，对吧？

好吧，杨用光做到了这一点。但他得到的不是两堆，而是波浪形的图案，就像池塘里的涟漪。这很奇怪，因为这意味着光的行为像波，而不是粒子。惠更斯，那个浪潮家伙，似乎在做些什么。

现在，快进到今天，我们仍然无法理解它。就连超级聪明的物理学家理查德·费曼Richard Feynman也称其为量子物质的一大谜团。

双缝实验不断告诉我们，光，甚至物质，都无法决定它们是波还是粒子——就像他们和科学家玩了 200 多年的捉迷藏一样！

为了进一步解释，想象一下将光线照射在具有两个平行狭缝的墙壁上，为简单起见，让我们假设这束光只有一个波长。

当光线穿过狭缝时，每个狭缝基本上都成为新的光源。在屏障的另一侧，来自每个狭缝的光衍射并与来自另一个狭缝的光结合，从而产生干扰。

双缝实验 图片来源：PASCO

根据石溪大学的说法，任何波，无论是声波、光波还是水中的波，都会产生干涉图案。当波峰遇到波谷时，它们会相互抵消，称为相消干涉，从而产生暗带。

相反，当波峰遇到波峰时，它们会相互放大，称为相长干涉，形成明亮的波段。暗带和亮带的组合形成了在狭缝对面的传感器屏幕上可见的干涉图案。

这种干涉模式为杨提供了得出结论所需的证据，即光的行为为波，这与牛顿关于它是粒子的建议相矛盾。

如果您要使用沙粒或其他颗粒来复制实验，并将它们穿过狭缝。

然而，故事并没有就此结束。光稍微复杂一些，要真正理解它的奇怪之处，我们还需要探索粒子会在传感器场上产生什么图案。

如果您要使用沙粒或其他颗粒来复制实验并将它们穿过狭缝，您将在传感器屏幕上观察到明显的图案。每个通过狭缝的粒子最终都会排成一条线，大致位于相同的位置（根据粒子穿过狭缝的角度略有分布）。

波和粒子产生明显不同的模式，这使得区分两者似乎很简单，对吧？

好吧，当尝试使用被称为光子的微小光粒子进行相同的实验时，双缝实验发生了有趣的转折，将我们带入了量子力学的特殊领域。

光子是光中最微小的组成部分，是亚原子粒子。在原子尺度上进行双缝实验涉及使用光子而不是沙粒。

当你关闭一个狭缝并射出光线时，它看起来像屏幕上的微小颗粒。这表明光的行为类似于粒子。

但是，如果你打开两个狭缝，你会看到一个干涉图案，就像波浪一样。现在，如果你一个接一个地发送光子，期待粒子或波，就会发生一些奇怪的事情。

最初是随机的，它们最终会形成干涉图案。每个光子都像波的一部分，即使它们一次发送一个。就好像每个光子都以某种方式“知道”有两个狭缝。

如何？它是否一分为二，在狭缝后重新连接，然后撞击传感器？为了进行调查，科学家们设置了一个探测器来确定光子穿过哪个狭缝。

当我们一个接一个地发射光子时，探测器显示每个光子都经过一个狭缝。没什么大惊喜的。但是当我们检查屏幕时，就像粒子被发送了，而不是波。观察光子使它们像粒子一样行动，而不是形成波状图案。

现在，如果我们保留探测器但偷偷关闭它，就会发生一些奇怪的事情。相同的设置和相同的光子，但现在它们创造了一个类似波的图案，而不是粒子图案。

当我们不看时，原子似乎像波浪一样起作用，但当我们观察它们时，它们会变成粒子。如何？这是诺贝尔奖的谜团。

《维格纳的朋友》是一个思想实验。维格纳把他的朋友和猫放在盒子里。外部观察者认为系统处于“死”和“活”的混合状态。

然而，维格纳的朋友认为这只猫还活着。问题是，为什么维格纳和他的朋友对波函数有不同的看法？

在 1930 年代，有人认为人类意识可以影响量子力学。

数学家约翰·冯·诺依曼John Von Neumann在他1932年出版的《量子力学的数学基础》The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics一书中首次提出了这一点。

在1960年代，理论物理学家尤金·维格纳Eugene Wigner引入了一个被称为“维格纳的朋友”的思想实验，这是量子物理学中的一个悖论，描述了参与实验的两个人的状态。

这个想法表明，实验者的意识可以影响结果，被称为冯·诺依曼-维格纳解释。虽然精神上的解释仍然得到少数人的认可，但科学界的大多数人却不屑一顾。尽管研究仍在进行中，但科学家们还没有找到一个更合理的理论。

对于一个更合理的理论，科学家们发现自己感到困惑。此外，更令人惊讶的是，如果你安排双缝实验来检测光子在撞击传感器屏幕后穿过哪个狭缝，即使光子撞击屏幕时没有被检测到，屏幕上仍然会出现类似粒子的图案。

这一结果表明，未来检测光子会影响它过去在屏幕上创建的图案。这个实验被称为量子橡皮擦实验，在费米实验室的这段内容丰富的视频中得到了更详细的阐述。

对物质的粒子波二象性如何运作的完整理解仍然难以捉摸，这标志着它是量子力学中深刻的奥秘之一。

审核编辑：刘清