光究竟是什么?關(guān)于光本質(zhì)的百年探索史
物理學(xué)家們不僅理解光的本質(zhì),甚至他們還正在嘗試在越來越高的精度條件下控制光的行為,這就意味著在未來某一天,光或許將以一種嶄新的面貌被人類所利用。這一廣袤前景也正是聯(lián)合國將2015年確定為“國際光年”的原因之一。
事實上,研究人員現(xiàn)在傾向于認為,之所以牛頓將光線分成了7種不同的顏色,僅僅是因為“7”這個數(shù)字在西方文化中占有特殊地位,如七聲音階,以及一周內(nèi)的天數(shù)。而麥克斯韋的工作則帶領(lǐng)我們完全超越了這一高度,證明了可見光只是更寬廣尺度上電磁波的一部分。這基本上可以說是最終解答了光的本質(zhì)問題。 通過狹縫之后,原本平行的光線變成類似水波的形態(tài) 是粒子還是波? 但在另一個方面,科學(xué)家們數(shù)百年來也一直致力于想要弄清楚,從最基礎(chǔ)的層面上,光究竟是以何種方式存在并傳播的? 一部分科學(xué)家認為光的形式有點類似波或水里的波紋,它可能是借助空氣或是另一種難以捉摸的神秘物質(zhì)“以太”來進行傳播的。但另外一些科學(xué)家則認為這種看法是錯誤的,他們指出,光應(yīng)當是一束粒子流。 牛頓更傾向于第二種理論,即光的粒子說,尤其是在他使用光和鏡子進行了一系列的相關(guān)實驗之后,牛頓更加堅信光是粒子流的理論正確性。 牛頓在實驗中注意到,光的傳播遵循嚴格的幾何法則。如果你正對一面鏡子并射出一束光,它一定會原路反射回來,這跟你射出一個小球擊中鏡子之后反彈回來是完全一致的。牛頓認為如果光是波,不應(yīng)當會具備這種粒子的特性。據(jù)此,牛頓推斷光必定是由某種非常微小的,沒有質(zhì)量的粒子所組成的。 但這一理論存在一個嚴重的問題,那就是同樣有實驗證據(jù),證明光具有波的特性。其中最著名的一項實驗是在1801年進行的。英國物理學(xué)家托馬斯·楊(Thomas Young)開展了他著名的“雙縫實驗”,這個實驗在物理學(xué)上占據(jù)極其重要的地位,并且實驗的原理非常簡單,每個人在家里都可以自己進行。 具體的過程是這樣的:你需要一張厚紙板,隨后非常小心地在它上面劃出兩道細縫。隨后準備一個“純粹”的光源,也就是只會產(chǎn)生特定波長光線的光源,激光則是最理想的。然后將光源對準紙板上的這兩道狹縫,并使其在狹縫后的另一個表面上成像。 在置于狹縫紙板背后的另一個平面上,你心里的預(yù)期應(yīng)該是會看到兩道明亮的光帶,因為來自光源的光線會分別穿過兩道狹縫并投射到后方的平面上。然而,托馬斯·楊發(fā)現(xiàn),情況似乎有點詭異,他看到的并非兩道細細的光帶,而是一系列明暗相間的條紋,就像一條超市用的條形碼。 當光線通過狹縫時,其表現(xiàn)出來的行為與水波穿過狹窄開口時表現(xiàn)出的性質(zhì)基本一致:它會發(fā)生衍射并形成半球狀傳播的波。 而在雙縫實驗中,當“光波”穿過兩道狹縫并彼此相遇,且波峰面對對方的波谷時,它們相互抵消,形成暗帶;而當波峰與波峰相遇時,它們相互疊加,從而形成亮帶,于是,明暗相間的“條形碼”條紋便出現(xiàn)了。 托馬斯·楊的理論無可爭議地證明了光波理論的正確性,在加上麥克斯韋的工作已經(jīng)在數(shù)學(xué)上為光是一種波的理論奠定了堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),于是科學(xué)家們大舒了一口氣:終于塵埃落定了,光是一種波! 白熾燈泡利用能夠產(chǎn)生電磁輻射的材料制成。光是一種電磁輻射 棱鏡將光線分解為不同波長的色光 |
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