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光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时期内对它的认识却进展得很慢，直到17世纪才明确地形成了两种学说：一种是牛顿主张的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播；另一种是波动说，是跟牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯（1629~1695）提出的，认为光是在空间传播的某种波。 微粒说和波动说都能解释一些光现象，但又不能解释当时观察到的全部光现象。由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析，再加上牛顿在物理学界的威望，微粒说一直占上风。 到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为也是一种电磁波。此后，赫兹在实验中证实了这种假说，这样，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。 1900年，德国物理学家普朗克（1858—1947）在研究物体热辐射的规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能跟实验事实相符。这样的一份能量叫做能量子。普朗克还认为，每一份能量等于hv，其中v是辐射电磁波的频率，h是一个常量，叫做普朗克常量。实验测得 h=6.63× 普良克把物理学带进了量子世界。受到普朗克的启发，爱因斯坦（1879—1955）于1905年提出的，在空间传播的光也不是连续的。而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，光子的能量E跟光的频率v成正比，即 E=hv (1) 式中的h就是上面讲的普朗克常量。这个学说后来叫做光子说。光子说认为，每个光子的能量只决定于光的频率，例如蓝光的频率比红光高，所以蓝光光子的能量比红光光子的能量大。同样颜色的光，强弱的不同则反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少。 光电效应以及后来发现的康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子，但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。光到底是什么？光是一种波，同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。 光既是一种波，又是一种粒子，这是一幅什么样的图景？我们可以猜测，在一束光中，光子之间的相互作用使它表现出了波的性质。但是，下面这个实验否定了这种图景。 仍然考虑双缝干涉实验，不过所用光源更加微弱，以至在光源和感光胶片之间不可能同时有两个或更多的光子。不同曝光时间摄得的照片仍和图22-3相同。由于同一时刻只能有一个光子飞向感光屏，所以光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。波动性是光子本身的一种属性。 在这个实验中，尽管每次只有一个光子通过狭缝，但是如果把双缝中的一个挡住，那么在感光屏上就不能出现干涉条纹了，好像光子通过一个狭缝的时候能够“知道”另一个狭缝是否存在！ 光子的行为怎么这样难以捉摸呢？ 我们在思考物理概念或者物理规律时，往往在头脑中产生一个模型，用它代表不能直接看到的东西。例如，讲到气体分子的热运动时，我们把气体分子想像成一个个刚性小球，在容器中做无规则运动；讲到电流时我们想到水流，带电微粒在导体里的流动就像水流一样。当我们观察光的波动性时，就会联想到水流；观察到光的粒子性时又会联想到飞行着的子弹。光既表现出波动性又表现出粒子性，这时就为难了，因为在我们的经验中找不到既是波，又是粒子的东西。 这什么会产生这种困难呢？因为我们的经验局限于宏观物体的运动，微观世界的某些属性与宏观世界不同，我们从来没有过类似的经历。随着人类的认识范围不断扩展，不可能直接感知的事物出现在我们面前。在这种情况下我们就要设想一种模型，尽管以日常经验来衡量，这个模型的行为十分古怪，但是只要能与实验结果一致，它就能够在一定范围内正确代表所研究的对象。 |