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光是粒子還是波?科學家們吵了幾百年,如今終于能夠證明:是波!
2023/09/15

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托馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳兩位物理學家用實驗清晰地證實了 光的干涉和衍射特性,并且用 光波動說合理解釋了這些特性

在客觀存在的實驗面前,學術界開始動搖,從1830年開始,光波動說已經完全被學界接受。

1865年,詹姆斯·麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波,證實電磁波存在的實驗由海因里希·赫茲在1888年完成,這被認為標志著光微粒說的徹底終結。

光是一種波動,這成了共識,但是就算是麥克斯韋都 無法將所有光的性質解釋明白

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比如在經典電磁理論中,光波的能量只和波場的能量密度有關,物理學家無法將光的頻率和實驗結果聯系起來。

還有 光電效應實驗,在實驗中,只有將足夠高頻率的光束照射在金屬板上,光電子才會被發射,這又和前文的現象顛倒過來了, 實驗只與光的頻率有關,卻和它的能量無關了

無論是哪套理論,都無法完美地解釋光的現象,于是學術界又出現了質疑的聲音,好在現代物理學的「紫微星」來了。

光量子

首先是普朗克,他提出 任何系統發射或吸收頻率為v的電磁波能量,總是為E=hv的數倍。接下來是愛因斯坦,愛因斯坦以普朗克的假說為基礎,提出了 光量子假說,這個假說對對光電效應作出了成功的解釋。

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然而,大部分物理學家不愿意相信光具有粒子性,這是因為 麥克斯韋理論的高度完備性和正確性使得人們很難相信這是錯的。

愛因斯坦曾為他這一理論的不完整性所困擾,因為方程并沒有給出自發輻射光子確定的運動方向,而今天我們知道 自發輻射的光子不存在確定的運動方向,只存在某些特定的幾率,這是 量子力學的統計詮釋的結果。

我們之所以知道麥克斯韋方程式與愛因斯坦的說法都是正確的,是因為現代物理學告訴我們, 光同時具有粒子的特點,又具有波的特點,它的性質應該被稱為 波粒二象性

光是粒子又是波?

電磁理論證明,光是一種電磁波,而雙縫實驗和光電效應實驗中,則展示了光的粒子性,光同時具備粒子和波的特性,是否代表它又是粒子又是波呢?

其實這個說法稍微有些不嚴謹, 光應該是一種波。這是根據量子場論得到的結論。

根據量子力學的不確定性原理,處于基態的場總會受到擾動,從而成為激發態。受到激發的場就會形成波動,從而形成各種基本粒子,電子場形成電子,中子場形成中子。

世界的本質是一個場,場的激發可以涌現出能量,從而形成基本粒子,而基本粒子組成了世間的萬事萬物。

所以,光其實是波,而它只是在具有波的特性的同時,又具有粒子的特性。不過,量子場論也不是物理學的終點,隨著科學的發展,或許在未來,光的性質又將被重新定義。

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