光到底是粒子流,还是波?托马斯——双缝衍射实验给出一切回应!
300多年前,牛顿认为:光是粒子流组成的。但是,荷兰物理学家惠更斯却不认同这一点,他表示:光是一种波!为此,双方争论多年。直到19世纪初,英国物理学家托马斯的实验证明,牛顿的理论是错的。
双缝实验中,光照在开了两条缝的薄障碍物上,
通过单缝和双缝的光都将记录在后面的一块照相板上
托马斯的实验就是后来大名鼎鼎的双缝实验。费恩曼更是认为:量子力学的一切都可以从这个简单的双缝实验中探索得出来!在上面的图片中,我们可以看到:光照在开了两条缝的一块薄薄的障碍物上。
我们通过照相板用来记录通过缝隙的光,照片上的区域越明亮,说明通过的光越多!实验中,我们让光源通过单、双缝,随后将它们在照相板上留下的图像进行比较。假如,我们关闭左缝,打开右缝,相片将是下图的样子。
右缝打开的实验中,结果显示在照相板上
这是因为:打在照相板上的光一定是穿过右缝,所以集中照在相片的右边。同样,如果我们关闭右缝,打开左缝,相片会像下图的样子。
与上图相似,此次左缝打开,结果显示在照相板上
如果,我们将两条缝都打开,那么根据牛顿描绘的光粒子图像,照相板应该像下图的样子。这就是前两个图的综合。
总体来说,如果我们把牛顿的光微粒看成打在墙上的一颗颗小粒子,那么通过缝隙的光就会集中在与缝平行的两个小区域。另一方面,光的波动图景在双缝打开时会表现出极不相同的景象。
牛顿的光的粒子观点预言:双缝都打开,图像应该是上两图的结合
小编认为:我们可以用水波类比光波(因为结果相似,并且水更容易想象)。当大量的水波流向障碍,穿过缝的水波会一圈圈向外扩散,如同石子扔进水盆。
但是,当水波从两缝展开,重叠相遇时,相遇的水波便会增高。这是两个波峰的高度之和。假如两个波谷相遇,水凹陷的深度也同样会增加。如果:来自一缝的波峰与另一缝的波谷相遇,它们便会彼此抵消。
两缝的水波向外扩展,有些地方波动加强,有些地方波动减弱
事实上,消音器就利用这个原理。消音器测出输入的声波波形,随后生成与之相反的波形,二者相互抵消,消除噪声。
除了极端重叠的波:波峰遇波峰、波谷遇波谷、波峰遇波谷;它们之间还有大量部分增强、减弱的波。
比如,我们与朋友分别坐在小船上,平行于障碍物排成一列。当水波经过时,大家会感觉到不同程度的颠簸。坐在波峰与波峰、波谷与波谷相遇处的人,感觉颠簸感强烈;坐在波峰与波谷相遇的人,颠簸会小很多。
照相板记录了光打在板上的强弱情况。我们可以将水波的论证用于光的波动图像!科学家发现:当两条缝都打开时,照相板应该是下图模样。
图中最明亮的区域就是,来自两缝的波峰(波谷)相遇处;最暗区域就是波峰与波谷相遇的地方,双方相互抵消。这种光的明带与暗带交错的序列,就是有名的波的干涉模式。
假设光是一列波,当双缝都打开,来自每一条缝的波将发生干涉
我们可以用具体的实验来判别光的粒子图像和波动图像。托马斯做了这类实验,从而证实波动图像。牛顿的微粒说被证明是错的。后来,麦克斯韦更是为流行的光的波动观奠定了坚实的数学基础。
但是,爱因斯坦似乎又通过光子理论复苏了牛顿的光粒子模型。当然,我们也有类似的问题:粒子的图像如何能够解释上图的干涉模式呢?有人猜测:光的波动特性(如干涉模式)也可以来自光的粒子图像。
事实上,微观世界更难以琢磨。即使光源的强度越来越弱,直到光子以缓慢的速率逐个地打在照相板上,仍然会产生相同的结果!科学家发现:只要等待足够长的时间,大量分离的光子将穿过缝隙,每一个光子都记录在它打在照相板的那一点,这些点依旧会形成干涉图样。
这是十分神奇的,相继通过缝隙、独立打在照相板上的光子,如何能够“协同地”打在照相板上产生干涉波的明暗条带呢?大部分人可能认为:光子要么通过左缝,要么通过右缝,但事实却不是这样。
这说明:爱因斯坦的光粒子大不同于牛顿的光微粒。虽然光子也是粒子,它们却不表现光的波动特征。众所周知,粒子的能量由波的特征:频率决定。因此,不少科学家认为这就是波与粒子的奇特统一。
光电效应、双缝实验把这一统一性彻底实现了。光电效应证明光具有粒子特性,双缝实验证明光能表现波的干涉特性。两个事实结合起来证明了光同时具有粒子和波的特性。
微观世界,我们必须摆脱在宏观世界形成的直觉——事物要么是粒子,要么是波;我们应该接受这样的事实,它可能既是波,也是粒子。或许,这就验证了费恩曼的那句“没人懂得量子力学”!
作者:纵览