當前位置: 華文世界 > 科學

爭論了2000多年,光的本質究竟是什麽?現在才有了真正的答案?

2024-07-27科學

如果您喜歡這篇文章,麻煩手動點選右上方的「關註」。感謝您的支持和鼓勵,希望能帶給您 舒適的閱讀體驗。

光,是我們日常生活中,不可或缺的存在, 神話常常以一束劈開混沌的光明開頭,世界就此得以運轉,可見,從文明世界的伊始,人類就沒有停止過對光本質的幻想和探究。

但是,即便過去兩千年,自然科學逐步發展,「光」這個宇宙最關鍵的秘密,仍然沒有被徹底破解,科學家們依然難以對光的本質,做出準確的定論。

不過也正是隨著科學家們的深入探究,光的神秘面紗,才得以被一層層地揭開,越來越多的針對光的本質的科學理論也出現。

接下來,就讓我們一起走進光的世界,追隨歷史的車輪,看看不同時期的科學家們眼中的「光」,究竟是什麽。

光的「身份之爭」——微粒VS波動

時間追溯到17世紀的英國,那時牛頓爵士正用他那神奇的棱鏡,將太陽光分解成了絢爛的七色光譜。

這一幕,就像是大自然最華麗的調色盤,讓牛頓深信不疑地提出了光的微粒說。

他認為,光是由一顆顆微小的、不可見的粒子組成的,這些粒子以直線的方式傳播,遇到物體時會發生反彈,形成我們所見的反射現象。

這一理論簡潔明了,就像是用小石子打水漂,每個石子都代表了一個光粒子,它們在空中劃出一道道優美的弧線。

然而,就在微粒說風靡一時之際,荷蘭的惠更斯卻勇敢地舉手反對,提出了截然不同的觀點——波動說。

惠更斯想象光是一種在空間中傳播的波動,就像水面上蕩漾的漣漪,或是琴弦振動產生的聲波。

惠更斯認為,光的傳播遵循波動原理,能夠發生繞射、幹涉等波動特有的現象。

這一理論為光的解釋開辟了全新的視角,仿佛是在說:「看,光不僅僅是一堆小石子,它還是一首悠揚的樂章,在空氣中輕輕回蕩。」

就這樣,微粒說與波動說在科學史上展開了一場激烈的「身份之爭」。雙方各執一詞,都有各自的支持者和實驗證據。

微粒說的支持者強調光的直線傳播和反射現象;而波動說的擁躉則看重光的繞射、幹涉等波動特性。

這場爭論持續了數百年,直到新的科學發現和理論的出現,才逐漸揭開了光的真正面紗。

電磁波的加入,光的「超能力」曝光

時間來到了19世紀中葉,科學界迎來了一場革命性的變革。

馬克士威,這位被譽為「電磁學之父」的科學家,透過深入研究電和磁的相互關系,提出了一個驚人的預言:光其實是一種電磁波!

這一理論徹底顛覆了人們對光的傳統認識,將光從微粒和波動的二元對立中解放出來,賦予了它全新的身份和內容。

電磁波,這個聽起來有點像電磁爐,但是比電磁爐不知道神秘和高大上了多少倍的詞匯,其實離我們並不遙遠。

我們日常生活中接觸到的無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和Gamma射線等,都是電磁波家族的成員。它們只是波長和頻率不同,但本質上都是同一種東西——電磁波。

馬克士威的預言不僅揭示了光的電磁波本質,還預言了電磁波在真空中傳播的速度等於光速。

這一預言在不久後,得到了赫茲實驗的驗證,從此光的電磁波身份得到了科學界的廣泛認可。

電磁波的發現讓光的「超能力」得以曝光。它讓人們發現,光的傳遞形態不僅可以像粒子一樣,對能量進行傳遞,還可以像波一樣,對資訊和訊號進行傳遞。

這一發現為後來的無線通訊、雷達探測、衛星通訊等技術的發展奠定了堅實的基礎。光,這個曾經神秘莫測的自然現象,如今已經成為我們日常生活中不可或缺的一部份。

光的波粒二象性,身份大揭秘

到這裏,光的故事並沒有就此止步。

隨著量子力學的興起和發展,科學家們對光的本質有了更加深入和全面地認識。

在這裏,我們就不得不提起我們的老熟人愛因史坦了。他在研究光電效應的歷程中,發現了光量子假說,他認為,光在傳播時不僅僅具有波動性,還具有粒子性,這就是光的波粒二象性。

這一理論揭示了光在微觀世界中的奇異行為:它既可以像波動一樣傳播和幹涉;又可以像粒子一樣被吸收和發射。

光的波粒二象性不僅是對光的本質的一種全新認識,也是對量子力學基本原理的一種深刻體現。

它告訴我們世界並不是非黑即白的簡單二元對立,而是充滿了復雜性和矛盾性的統一體。在量子世界中,粒子和波動並不是相互排斥的「一山不容二虎」,而是可以相互轉化和共存的「好朋友」。

現代科學對光的理解已經遠遠超出了牛頓和惠更斯的想象。

我們知道光是由光子組成的而光子又是一種特殊的粒子它具有波粒二象性。

光子在傳播時既表現出波動的特性如幹涉、繞射等;又表現出粒子的特性如動量、能量等。

這種奇特的現象讓光成為連線宏觀世界和微觀世界的橋梁,讓我們得以窺見自然界最為神秘和深邃的一面。

當我們再次凝視那束穿透雲層的陽光時,或許會有一種別樣的感受。

那不僅僅是簡單的光線和色彩,更是自然界最為復雜和精妙的傑作。

光以其獨特的波粒二象性展示了自然界的無限可能和奧秘,讓我們在探索未知的道路上不斷前行永不止步。

後記:

確實,時至今日,我們對光的本質的探究,依然不夠透徹。

但是從牛頓的微粒說到惠更斯的波動說,再到馬克士威的電磁波理論,直至愛因史坦的光量子假說,每一次理論的飛躍都是人類智慧與勇氣的結晶,是對未知世界不懈追求的最好詮釋。

光,這個自古以來就與人類生活息息相關、無處不在的自然現象,其本質的探索過程無疑充滿了曲折與驚喜。但它不僅僅是一個科學問題,更是人類對自身存在和宇宙本質的深刻反思。

相信在不久的將來,「光」的神秘面紗,終究會被人類頑強的探索欲和不懈追求的科學精神所撕下,到那時,我們就會進入一個更加微觀、更加奇異的量子世界。

參考資料

新京報【愛因史坦的「上帝之信」:宗教與科學精神未必就水火不容】

Thomas Young y la naturaleza ondulatoria de la luz | OpenMind