光到底是什么?——我们真的了解光吗

不可否认,光是我们接触到的最多的一样东西,从我们降临到这个世上第一缕光线进入我们眼睛的那一刻,我们便开始通过光来探索观察这个世界。我们一直就处在一个光的世界中,也正因为如此,大家都会觉得对光再熟悉不过了,光不就是我们平时看到的那样子吗?有什么好深入了解的?但正如我们以前提到的,在人类文明历史长河中,总有一些充满强烈好奇心和求知欲可能是你“同类”的人,对各种问题的寻根刨底地不懈探索,才推动了人类文明巨帆的前行。其中对光速的研究和对光电效应的解释,分别催生了相对论和量子力学的诞生。而这两门学科的建立和完善,对人类文明的重要意义不言而喻。那么我们该如何理解光呢?

光到底是什么?——我们真的了解光吗

首先,在宏观层面上,也就是我们平常眼睛所能看到的层面上,光正如我们大家平常所认识的那样,是由一条条光线组成。光在均匀介质中是沿直线传播的,光可以发生反射,所以我们可以通过镜子看到自己;光可以发生折射,所以我们看到水中的筷子变弯了;光可以发生散射,所以我们看到的天空是蓝色的。我们之所以能看到物体,是因为它们发出的或者反射的光进入我们的眼睛,在我们视网膜上形成了图像。凭着以上种种来自生活经验的直观感觉,我们对光的认识就是照亮我们眼前世界的一道道白色光线。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

直到1666年牛顿,没错,又是牛顿,拿出三棱镜让一束太阳白光通过,透射出来的光竟然不是一束白光,而是红橙黄绿蓝靛紫的七色色带。这时人们才知道太阳的白光是由这七种单色光混合而成。牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论,他认为光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。但以牛顿的仇人胡可(牛顿和胡可的故事很精彩,有兴趣的同学可以搜索下)为首的英国皇家学会则否定了牛顿的理论,从而引发了科学史上长达近300年的关于光是波还是粒子的争论。也正是这种对科学的执着求真的态度,参与进来了一大批卓越的科学家,正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱,催生了大量的研究成果。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

牛顿分解白光的那年,惠更斯应邀来到巴黎科学院以后,并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间,惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏,而且交流了对光的本性的看法,但此时惠更斯的观点更倾向于波动说,因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后,惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验,认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此,他提出了波动学说比较完整的理论。就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时,牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。为不与胡克再次发生争执,胡克去世后的第二年(1704年)《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世,波动说一方无人应战。牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献,成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高,人们对他的理论顶礼膜拜,重复他的实验,并坚信与他相同的结论。整个十八世纪,几乎无人向微粒说挑战,也很少再有人对光的本性作进一步的研究。直到1801年,杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。并提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1808年,拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象,批驳了杨氏的波动说。1809年,马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时,他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波,而纵波不可能发生这样的偏振,这一发现成为了反对波动说的有利证据。1811年,布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现,使当时的波动说陷入了困境,使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。1819年,菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验,继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后,转向了波动说。1819年底,在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后,他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。虽然这一过程完善光的粒子学说和波动理论都得到了完善,但对光的本质的研究依然没有结论。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

直到1865年,麦克斯韦依靠其天才的想象力和深厚的数学功底,总结前人的基础上,提出了麦克斯韦方程组,根据方程组预言了电磁波的存在,并计算出电磁波的传播速度和光速相同,从而断定光是某种频率的电磁波,1887年,赫兹通过实验产生并检测到了电磁波的存在。至此,人们对光的认识进入了更深层次的认识。 也就是光是一种电磁波,那么问题来了,什么是电磁波?可以简单地这么理解,就是电磁波是运动的场,即先有一个变化的电场,而这个变化的电场产生了一个和它垂直的变化的磁场,而这个新产生的变化的磁场又产生了一个和它垂直的变化的电场,就这样它们之间互相交替一直产生新的电场和磁场,而产生新场的速度就是电磁波传播的速度,也就是光速。像无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线都是这样的电磁波,没错,也就是我们听收音机打电话接收到的无线电波,做饭用的微波炉,和我们看到的光在本质上是同一种东西,只不过他们的波长不一样,而我们所看到的光,也就是可见光,仅仅是波长为380~780nm的这一小段范围的电磁波。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

到这里,我们就能解释为什么我们的世界是五彩缤纷的了,也就是为什么不同的物体所呈现的颜色不一样。正如上文我们提到的,除了阳光灯光等是它们自身发出的光外,我们能看到物体是它们反射的光进入我们眼睛里,它们能反射光的前提是有自然光照射,而自然光是由七种单色光组成的,对于不同的物体,它们会吸收不同波长的光,也就是吸收不同颜色的光,那些被吸收的光就不能反射,而不被吸收的光则被反射从而进入我们眼睛,这样我们就看到不同的物体具有不同的颜色。而白色的形成是不吸收任何光,黑色则是不反射任何光。或者我们可以这样理解,其实物体本身并没有颜色,之所以呈现颜色,只是因为它们反射了不同的光一种外在的表现形式。但是有善于思考的同学到这可能会提出疑问,除了黑白,物体的颜色不止红橙黄绿蓝靛紫这七种,一方面是因为物体不一定只吸收或反射一种光,另一方面七色的每一条色带并不是一种不变的颜色,而是一条渐变的色带。另外我们都知道,不同颜色的光混合在一起可以组成新的色彩,因此,我们的世界是五颜六色、五光十色、五彩缤纷、万紫千红、绚丽多彩的。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

但是到这里还没结束,因为赫兹在证明了电磁波的存在的同时现了光电效应,光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。二十世纪初,爱因斯坦提出了光的量子学说对光电效应做出了正确的解释。这说明了光在更微观的层面看是具有粒子性的,即可以看做是有一个个具有一定能量的光子组成的。这推动了量子力学的建立与发展。他认为对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。

光到底是什么?——我们真的了解光吗

现阶段,我们可以从三个层次来理解光:

一、在我们的眼睛所能看到的宏观世界,我们可以认为光就是沿直线传播的光线。

二、在我们直接用眼睛看不到的层面上,我们可以先取一束光线不断地切割,直到看不到它,我们发现光是一定波长的电磁波。

三、在更微观的层面,即原子电子层面,光可以看做是一个个光子组成的。

以上三个层面都是对光的理解,这些认识并没有谁对谁错,都是正确的,只不过是在它们所处的层面上,是由表象到本质、由宏观到微观的一个过程。

虽然目前关于光的波粒二象性的理论在现阶段得到了普遍的接受,但人们对光更深入的探索之路并未停歇,可以设想某一天对光又有了更加深入的理解而颠覆我们现在对光的认识。 回顾人类文明进程,不正是存在那样一批执着的人对那些有争议问题前赴后继的深入研究,才推动了人类文明前进步伐的吗?


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