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国际光年 | 光之本性的百年探索与论战

2015-7-29 12:27| 发布者: solartest| 查看: 3774| 评论: 0|原作者: 方在庆 黄佳

摘要: 公元1600年以来,人类对光的本性进行了不懈的探索。光的波动说与微粒说各领风骚上百年。它们之间除了激烈论战的一面外,还有相互吸收的另一面。经过不断努力,人们最终认识到“波粒二象性”才是光的本性。在这个过程 ...
确立光之本性

       苏格兰物理学家麦克斯韦被认为是处于牛顿和爱因斯坦之间的最伟大的物理学家。

       1860年代,光的波动说已经确立很久了。麦克斯韦在总结前人关于电磁学方面的研究成果的基础上,于1861年提出了光本身就是一种电磁扰动的看法。麦克斯韦的观点并没有削弱那时已经建立的波动说的重要地位,因为他提出的电磁扰动具备了波动学说所有的标准特征。在1865年,麦克斯韦进一步指出光也是一种电磁波,从而产生了光的电磁理论。

       1900年,为了解决经典物理学预测的黑体辐射能量分布同实验结果之间严重不符的矛盾,普朗克(Max Planck,1858—1947)提出了能量量子(energy quanta)的假设,从而得到了黑体辐射的普朗克公式。而对于量子概念背后的含义,普朗克并没有多想,只是把它作为权宜之计。1905年,爱因斯坦运用光量子假设,成功地解释了光电效应。令人遗憾的是,在爱因斯坦提出光量子假说后近20年的时间里,物理学家们一直拒绝接受它。只是当康普顿(Arthur Compton,1892—1962)和德拜(Peter Debye,1884—1966)通过实验证明,光子与电子在相互作用中不但有能量变换,还有一定的动量交换之后,爱因斯坦的光量子假说才被承认。[10]1925年量子力学建立后,物质波的概念得到承认。人们发现,原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性,波动性是物质运动的基本属性。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已被“波粒二象性”所取代。经过200年的旅程,光的波动学说与微粒学说,在新的实验事实与理论面前,实现了融合。“波粒二象性”才是光的本性。20世纪50年代后,激光的出现和广泛应用,更加深了人们对光的本性的认识。

       爱因斯坦在1917年左右曾说:“在我的余生中将对光的本性进行反思。”在他去世前四年,他在写给好朋友贝索(Michele Besso,1873—1955)的信中这样写道:“整整五十年的自觉思考没有使我更接近于解答 ‘量子是什么’这个问题。的确,现在每一个无赖都相信,他懂得它,可是他在欺骗他自己。”[11]

       的确,爱因斯坦的一生与光结下不解之缘。早在中学阶段,他通过阅读伯恩斯坦(Aaron Bernstein,1818—1884)的《通俗科学大众读本》(Wissenschaftliche Volksbiier),了解了与光有关的一些有趣论述[12],这为后来的相对论埋下了思想伏笔。有趣的是,爱因斯坦获得1921年度的诺贝尔奖,是因为“光电效应”,而不是最能代表他成就的相对论。这件事常被用来诟病诺贝尔奖委员会。现在看来,这里面隐含了某种历史的必然。

       从1910年起,爱因斯坦几乎每年(除1911年和1915年外)都获得诺贝尔奖的提名。1919 年11月6日,英国皇家学会和皇家天文学会举行联合会议宣布爱丁顿远征队考察结果。爱因斯坦一夜之间成为世界名人。诺贝尔委员会承受的压力也越来越大。他们很清楚,爱因斯坦早就应该获得诺贝尔奖。但诺贝尔委员会负责物理学的许多成员倾向于实验物理学,而不是理论物理学,再加上相对论不是很容易理解,所以爱因斯坦并没有得到委员们的青睐。
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