光是粒子還是波?

一、引言

當你看到書桌上有一支黃色的鉛筆,然後你的眼睛和大腦開始收集關於這支筆的各種信息:它的尺寸、顏色、形狀、長度等等。那麼我們是怎麼做到的呢?

光是粒子還是波?

二、視覺的形成

古希臘人是最早從科學的角度研究光和視覺的運作機制,包括柏拉圖和必達哥斯拉在內的古希臘哲學家們,都認為光是從我們的眼睛發射出來的,微小無形的探測器收集到遠處物體的信息從而形成視覺。

光是粒子還是波?


一千多年後,阿拉伯科學家阿爾哈曾才發現古希臘人關於光的理論是錯誤的。阿爾哈曾認為我們的眼睛並不放出無形的信息收集探測器,眼睛只是用來收集照射過來的光。阿爾哈等的理論能夠解釋一個古希臘人無法解釋的現象,那就是為什麼有時候眼前會一片黑暗。

光是粒子還是波?

理論的核心在於只有少數物體能主動發光,人們把典型的發光物體,如太陽、燈泡稱作光源。大部分我們看到的東西,比如前面提到的桌子上的鉛筆,僅僅是反射了來自光源的光,自身並沒有發光,因此你看著鉛筆時,眼睛接收到的光試劑上來自太陽。光線穿越了無際的太空才照射鉛筆,隨後反射到你的眼裡。

光是粒子還是波?


那麼太陽發射的光究竟是什麼?我們又是如何看到它的?它是如同原子一樣的微小粒子?還是如同水面漣漪一樣的波?現代科學家花了數百年時間才找到答案。

艾薩克·牛頓是最早發答案的。牛頓認為,光是由一種類似原子的微小微粒組成,並稱之為“微粒”。基於這一假設,光的一些屬性得到了解釋,例如光的折射。當一束光從空氣射入水中時,它看上去彎曲了。

三、光的波動性

不過,即便是天才科學家也難免會犯錯誤。牛頓死後,19世紀,科學家做了一些列實驗,確切的表明,光不可能是由類似原子的微小粒子組成的,證據是:當兩束光交叉照射時不會相會影響。如果光的成份是微小的固態粒子,那情況就應該是來自A光束的粒子撞上來自B光束的粒子。如果真是這樣,那麼相互碰撞的粒子將會彈向四面八方。然而事實並非如此,光束會穿過彼此。你也可以自己拿兩支激光筆和粉筆灰做個實驗。

光是粒子還是波?


另一個證據是光有干涉現象。干涉現象是一種複雜的波動現象。當兩列波的頻率相同時,就會發生干涉。如果兩樣物體同時碰觸平靜的水面,就能看到干涉現象。兩個點光源距離很近時,也會發生干涉。只有波才有干涉現象,粒子沒有。

光是粒子還是波?


發現光有波屬性之後,自然而然就能解釋眼色是如何產生的。那支筆為什麼是黃色的?所以,光就是波!

四、光的粒子性

到了20世紀,科學家從實驗中發現,光有粒子的屬性。比如,當你向一塊金屬照射光線時,光間斷性地以一種稱為“量子”的形式將能量轉移到金屬原子中。但光依然有干涉的屬性,因此光量子並不完全是牛頓想象地那樣微小的固體球態。光有時呈現粒子性,有時又呈現波地屬性,開創了一項革命性地物理理論,成為“量子力學”。

五、總結

經過以上分析,讓我們回到問題本身,“光是什麼?”光並非我們習以為常地普通物質。有時它像粒子,有時又像波。用兩者任意一方來定義光都是不全面的。

光是粒子還是波?


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