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。
神秘的糾纏粒子。成對的糾纏粒子之間,任一成員粒子的狀態(tài)發(fā)生改變都會立即引起另一個粒子的相應(yīng)變化,這種影響不受時間與距離限制 透過云層的光:它究竟是波還是粒子? 在這一令人困惑的現(xiàn)象面前,愛因斯坦意識到,使用普朗克提出的光的“量子化”思想,能夠很好地解決這一問題。愛因斯坦提出,光是由許許多多微小的“能量單位”組成的。這種離散的能量單位與光的波長直接相關(guān):波長越短,則其中的能量單位越密集。這樣就能夠解釋為何波長較短的紫色光會比波長較長的紅色光攜帶有更多的能量。 它也可以解釋為何單純增加光照亮度并不會對金屬板的電子釋放產(chǎn)生什么影響——在更亮的光照條件下,光源的確會向金屬板傳輸更多的“能量單位”,但并不會改變每一個“能量單位”內(nèi)所包含的能量大小。通俗的說就是,單一一個紫色光“能量單位”能夠為一個金屬板中的電子傳輸更多的能量,而紅色光的“能量單位”不管有多少數(shù)量,也達(dá)不到這樣的目的。 愛因斯坦將這些“能量單位”稱為“光子”,F(xiàn)在,光子已經(jīng)被物理學(xué)界作為一種基本粒子予以承認(rèn)?梢姽馐怯晒庾訕(gòu)成的,其余所有的電磁波,包括X射線,微波和無線電波也都是一樣。換句話說,光是粒子。 光的波粒二象性以及它的價值 到了這個階段,物理學(xué)家們決定結(jié)束這場關(guān)于光是波還是粒子的曠日持久的爭執(zhí)——這兩種模型都擁有確鑿的實驗證據(jù),因此無法否定其中的任何一種。讓很多非物理學(xué)專業(yè)的人士感到困惑不已的是,物理學(xué)家們最終確認(rèn),實際上光輝同時表現(xiàn)出粒子與波的特性。換句話說,光具有波粒二象性。 但對于物理學(xué)家們而言,他們倒并不覺得光的這種雙重身份帶來了什么不便。相反,這讓光變得更加有用。今天,在當(dāng)年的先驅(qū)者們——如麥克斯韋和愛因斯坦等建立的基礎(chǔ)之上,科學(xué)家們正在進(jìn)一步探尋利用光的這些特殊性質(zhì)的途徑。 物理學(xué)家們逐漸意識到,盡管光的波動方程和粒子方程都能非常好的描述光的行為,但在某些特定的情況下,其中的一種描述方程會比另外一種更容易應(yīng)用。因此物理學(xué)家們會根據(jù)不同情況在這兩種描述方式之間進(jìn)行選擇切換,就像在生活中,同樣是對長度的描述,但我們會用米來描述我們的身高,但會用公里來描述車的行程一樣。 一些物理學(xué)家正在嘗試?yán)霉鈦韺崿F(xiàn)加密通訊,比如用于安全的資金轉(zhuǎn)賬等等。對于他們來說,在開發(fā)這些功能時是把光看作了粒子。 這是由于量子物理學(xué)的另外一項奇異性質(zhì):兩個基本粒子,如一對光子,其兩者之間可以相互“糾纏”。這樣的糾纏粒子之間存在一項令人驚異的性質(zhì):無論兩者之間相距多遠(yuǎn),它們之間都可以共享某些相同的性質(zhì),因此人們便可以利用這種性質(zhì)來實現(xiàn)地球上不同兩點之間的信息通訊。 這種糾纏粒子的另外一項性質(zhì)是,當(dāng)對其進(jìn)行觀察時,將會改變糾纏粒子的量子態(tài)。因此,從理論上說,如果有任何人試圖窺探使用了量子光學(xué)技術(shù)加密的信息時都將會立刻暴露。 而另外一些物理學(xué)家則更加關(guān)注光在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。對于他們來說,將光視作是可以被操控的電磁波將會更有意義。 |
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