光是粒子还是波？

光的行为更像粒子还是波？今天我们知道了令人惊讶的答案。这就是为什么花了这么长时间才到达那里。

当您通过我们网站上的链接购买时，我们可能会赚取联属佣金。这是它的工作原理。

从天空中最遥远的星星到你面前的屏幕，光无处不在。但光的确切性质及其传播方式长期以来一直困扰着科学家。有一个问题尤其困扰着从艾萨克·牛顿到阿尔伯特·爱因斯坦的思想家：光是粒子还是波？

“光是粒子还是波是一个非常古老的问题，”伦敦帝国理工学院的物理学家里卡多·萨皮恩扎 (Riccardo Sapienza) 告诉《生活科学》。作为一个物种，我们似乎渴望了解周围世界的基本性质，而这个特殊的难题让 19 世纪的科学家们忙碌不已。

今天，答案是毫无疑问的：光既是粒子又是波。但科学家是如何得出这个令人费解的结论的呢？

出发点是科学地区分波和粒子。萨皮恩扎说：“如果你能将一个物体识别为空间中的一个点，那么你就会将它描述为粒子。” “波是一种物体，你不能将其定义为空间中的一个点，你需要给出振荡频率以及最大值和最小值之间的距离。”

光的波动性的第一个确凿证据出现在 1801 年，当时托马斯·杨 (Thomas Young) 进行了他现在著名的双缝实验。他在光源前面放置了一个有两个孔的屏幕，观察光穿过狭缝后的行为。照射在墙上的光线显示出由亮带和暗带组成的复杂图案，称为干涉条纹。

当光波穿过每个孔时，它们会产生部分波，这些部分波呈球形辐射，相互拦截并增加或减少最终的强度。

萨皮恩扎说：“如果光是一个粒子，那么屏幕的另一边就会出现两束光。” “但是我们有干扰，我们在屏幕后的任何地方都能看到光，而不仅仅是在孔的位置。这证明光确实是一种波。”

八十六年后，海因里希·赫兹成为第一个证明光的粒子性的人。他注意到，当紫外线照射到金属表面时，会产生电荷，这种现象称为光电效应。然而，直到许多年后，他的观察的意义才被完全理解。

相关：光速是多少？

原子包含固定能级的电子。因此，用光照射它们有望为电子提供能量，使它们能够逃离原子，而更亮的光可以更快地释放电子。但在赫兹工作之后的实验中，一些不寻常的观察结果似乎与这种对物理学的经典理解完全矛盾。

最终解决了这个难题的是爱因斯坦，并因此获得了1921年诺贝尔奖。原子实际上不是从波中连续吸收光，而是接收称为光子的光包中的能量，这解释了奇怪的观察结果，例如截止频率的存在。

但是什么决定了光表现为波还是粒子呢？根据 Sapienza 的说法，这不是问正确的问题。 “光有时不是粒子，有时是波，”他说。 “它总是既是波又是粒子。只是我们根据我们所做的实验来强调其中一个属性。”

在日常生活中，我们大多将光视为一种波，物理学家发现这种形式最容易操纵。

萨皮恩扎说：“有一个完整的领域称为超材料——通过塑造与光具有相同特征的材料，我们可以增强光与材料的相互作用并控制波。”“例如，我们可以制造可以吸收光的太阳能吸收器光更有效地产生能量或超材料 MRI 探头更有效。”

然而，光的双重性质，即波粒二象性，对于我们所知的世界的存在绝对是基础。这种奇怪的孪生行为也延伸到其他量子粒子，例如电子。

“如果没有电子处于特定状态的量子力学，原子就不可能稳定，”Sapienza 说。 “如果你消除了它是粒子的事实，你就消除了它具有特定能量的事实，生命就不可能存在。”