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光的本质到底是什么东西?科学家:从这个角度来看,茅塞顿开

2020/8/1 8:35:38 来源:理说万物 浏览:

每天睁开眼睛,就会有很多东西呈现在你的面前,你的房子,你的手机,你的爱人等等。你看到这世界上的万物,得益于你的眼睛,更得益于这些多姿多彩、变幻莫测的——光。

光的本质引发势不两立的争端

光是什么?看起来简单的问题,物理学家探讨了几百年,也是人类一直以来迫切解决的谜题。

​在对光本性的认识上,中国古代有两种典型的说法,一种认为光是由光源发出的某种特殊的气,另一种以17世纪科学家方以智为代表,认为光是气内部相互作用的传播,并由此发展出了一种原始的光波动学说。

国外的惠更斯在1690年发表的著作《光论》中,提出光的波动学说。14年之后,大物理学家牛顿偏偏在《光学》之中发表了一个相反的看法,他认为光是由粒子组成,提出光的微粒学说。

由于牛顿当时在物理学中的地位,大部分物理学家对他唯唯诺诺而同意这种看法。100年之后,著名的双缝干涉实验,托马斯·杨(人名)再次证明光是一种波。最后由一个电磁学巨擘麦克斯韦统一了电磁场理论,断定光是一种电磁波。并且在20年之后由赫兹的实验验证了电磁波。

这时牛顿已经去世100多年,人们便向波动说抛出橄榄枝。光的波动说似乎已经确定无疑。但是,向来如此,所有人都认为对的东西就一定对吗?

真理往往掌握在少数人手中

孟子曰:五百年必有王者兴,其间必有名世者。在科学界,两百年一般都会有一个大的变革。而彻底搞清楚光是什么的人,就是鼎鼎大名的爱因斯坦。他在光电效应的实验发现,光与实物微粒相互作用的过程中,粒子性非常突出。于是光的波粒二象性呼之欲出,在随后的双缝干涉实验中证实这种确定的猜想,在转移能量时会表现出粒子的性质,在传播的过程中体现出波动性。

这么说难免有点深奥难懂,大家可以把光理解成“运载能量的波动”,波动也就是某种振动。声音是空气漂浮的振动,海浪是水的振动,地震是大地动摇的。那么光是什么振动呢?光是光的本身在振动,专业的说就是电场和磁场的矢量在振动,光线传播也就是交替的光矢量和磁矢量传播。

我们所说的光一般都是指可见光,它是有颜色的,与能量紧密相关,赤橙黄绿蓝靛紫,能量依次升高。而电波,红外线,紫外线,x射线和可见光是一家人,属于电磁波。那么光到底是怎么产生的呢?

有人会问,如果晃动微观粒子会产生光吗?可以这么说,原子外的电子从高能级向较低能级跃迁时,多余的能量差就会以光子的形式释放。数不清的原子产生的无数个光子汇聚,就会产生光线,被人的视网膜捕捉,在大脑里面的视神经就会说:哦,这就是光。

“能量是能量,粒子是粒子”——二分法的局限性

近代理论表明,能量和质量不可分。说得更纯粹一点,所有东西都是能量!为什么有粒子,是能量场的叠加相互作用产生的表现形式。量子场论中,用场来解释物质如何相互作用,特别是如何获得质量。并且爱因斯坦的相对论早就给出了质能方程,暗示了能量和质量的相互转化。

我们能摸到钞票,不是说钞票作为一种物质很特殊,仅仅只是因为我们和它之间有相互作用,这种相互作用被你的经验确认为“摩擦力”,但其实其本质和我们“看到钞票”这个相互作用没有区别:看到钞票是是因为光的反射也就是电磁相互作用,摩擦力也是电磁相互作用!所以触觉和视觉的物理本质其实是一样的。

“直着走路”的光也会拐弯?

有趣的是,光虽然在均匀介质中总是沿直线传播,但是会被引力所扭曲。这又是为什么?

这就要牵涉到广义相对论了。简单来说,“引力”是一种时空弯曲效应,只是因为时空“变弯”了,所以在其中的物质只能顺着时空走,“光”也是物质,不得不亦步亦趋。爱因斯坦的场方程也早就说明了:决定时空如何弯曲的因素是这个时空内的质量和能量分布,而能量和质量处于等价的地位。

结语

我们以光为知觉,电子使光线跳舞,光线又会电子起舞。光线是电子所处的微观世界给我们的信号,我们所经历的几乎所有的现象都是微观世界光和电子的舞蹈。这么想来对光的尊敬不禁又加大了!

“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用来寻找光明。”我是理说万物,你的私人科普顾问,每日更新科学知识,注重科学中的人文和精神关怀,让“人”的意义凸显,寻找生命意义。喜欢就来关注我哦,在这个魔幻而又现实的世界里,一起加油吧!


参考资料:1.中国古代对光的性质的认识,关增建

2.知乎作者:PhysicsSoldier

3.量子力学,孙宏伟

4.光到底是什么,B站:KAOS溏心科学

看看网友怎么说

手机浏览器用户-来路:我有疑问,存在最小空间单位吗?如果空间扭曲最小单位空间之间的链接没有发生改变,那么我们无法在同一空间内探测到空间扭曲。空间弯曲假说这是常识性错误

用户3359016045228:光就是电磁波,光电效应的原理是电于电子在任何电碗波中都会产生共振,电子振动的频率就是电磁波的频率,hf是电子振功时获得的能量,频率越高电子获得的能量越高,这就是光电效应的基夲原理,而不是光具有粒子性,一百多年的错误该反过来了。

手机用户62338308144:我觉得光就是力量很小的引力波动(或者说是很小的空间波动),因为力量很小,所以只能对质量很小的物质起作用,譬如电子。

且听风吟1999:抖动绳子,我们会看到绳子形成的波形。石块入水,我们能够看到水波荡漾。可以看出,波形就是无数相连相关的微小物质共同做上下运动形成的宏观现象。 光电效应证明本身具有粒子性,现实中,我们又看到了光在传播过程中的波形。那么,我们可以认为大量具有粒子性的光共同上下运动,形成了光的波动。 宇宙中充满大量微观粒子,当这些粒子以高频振动时,我们的视觉系统经过共振,就在大脑中产生一个个光点,大量的光点组成了物体的空间形状,我们就看到了物体,我们就认为有光。 具有高频振动能量微观粒子(即)在正常情况下,以球形通过弹性碰撞均匀向外扩散,所以,我们看到光会向四周散射。当遇到其他微观粒子围绕漩涡转动时,具有高频振动能量的微观粒子会将振动能量传递给做环绕运动的微观粒子,我们就看到了光会改变了方向。

用户92296687548:这是帆动,这是风动,更是心动。

薛定谔的喵爷:光和热,是能量存在的基本形式。光子就是一小包一小包的纯能量,对外显现出波粒二象性。

33337777AAAABBBB:物质即能量

用户6897729761297:万事万物,都是频率不同的振动,都源于光,是我们合一的源头![灵光一闪]

理说万物:谢谢各位的评价,有褒有贬,我会一一回复。好的评价,我会再接再厉,继续写优质文章;不好的评价,我会听取意见,实事求是地改正。想看更多有思想、说理透彻的文章就来关注我吧,我是理说万物,以科学为准绳,以事实为依据,做你的私人科普顾问[大笑][大笑]

徜徉之翼:为什么最小能量单位的普朗克常数不可再分,上帝是怎么规定的?

铁骑他大哥:物质大到一定程度,便变得不可全知;同样,物质小到一定程度,也不可全知。我们经常摸到大象的一条腿而已。

用户51172709417:我的研究发,光是没有可见光和不可见光之分,我们是看不见光的,而且光也是没有温度的。也许大家会说这是谬论,因为我们能看见光这是实实在在的,这就是非常矛盾问题,我打算在我的文章中写这些观点,有兴趣可以研究一下。

我心知彼心:光的本质涉及到高科技这个敏感的政治话题,在世界范围都是,隐而诲的忽略选项,阁下能明刊此类话题,乃神人也,佩服佩服。

动感涛哥:那么光到底是:线性波动发散的呢?还是环形波动发散的呢?

v74316596717:你还是没说清,本来就是一个说不清的问题,你非要说说。用电,磁场解释光子,那电场,磁场又是什么呢?现在只能描述现象,假说,无法阐述本质。

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