20世纪初,物理学家开始重点纠结一个其实已经纠结了上百年的问题:
光,到底是波还是粒子?
所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。每个粒子有确定的位置和速度,运动时直线前进,相撞时会按一定角度反弹。每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。
很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克、康普顿)做了很多权威的实验 ,确凿无疑地证明了光是一种粒子。
比如,就拿让爱因斯坦得诺奖 的经典光学实验“光电效应”来说吧。人们发现,光照到一块金属上,金属的表面居然会产生电流;而且更诡异的是,这种现象对光的强度完全无感,只与光的频率 有关。如果频率不够,无论用多强的光照射金属板,光电效应都不会发生;反过来,只要光频率刚刚越过一个门槛值,再微弱的光线都可以触发光电效应,只不过产生的电流比较小而已。
今天看来,这是一个非常简单的实验,简单到被写进高中物理教科书,成为高考物理卷的必考知识点,当年却让众多科学大佬一筹莫展。电子吸收了光能,挣脱原子核的电磁力束缚跑了出来,从而形成了电流——这部分很容易理解;但是,你怎么解释“频率门槛” 的事情?按理说,更强的光可以给电子提供更多能量,延长光照时间应该也可以攒下足够的能量形成电流,可这两种预想中的场景在现实中偏偏从未发生。
如果把光看作一种波,一种连绵不绝、可以无限细分的能量,那么这个问题恐怕永远无解。第一个想通的还是当之无愧的爱因斯坦大神:每个电子只能吸收1个光子的能量,一旦这个光子的能量(和频率成正比)足够逃脱原子核的囚笼,电子就能“越狱”成功,否则只能把这份能量物归原主。更多的光子(光强)和更长的照射时间对单个电子而言毫无意义,因为它并不能攒下两个光子!
既然光都能分成一个两个的光子,那它自然只能是粒子了——这种“异端邪说”立刻引爆了学术界,因为在光电效应之前,已经有很多比当年26岁的爱因斯坦更著名的科学家(惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多更权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。
所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。如果把光看作一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。
既然有的专家认为光是粒子,也有的坚信光是波,那么我们可以轻松得出结论:光既是波又是粒子。好的,本集内容到此结束,感谢您的阅读,我们下集再见……
——等等!和稀泥我不反对,可问题是,波和粒子在所有方面都截然不同啊!
比如:
粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分,而波是连续的能量分布,无所谓“一个波”或者“两个波”﹔
粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;
粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。
波与粒之间,存在着不可调和的矛盾。当两道涟漪的波峰和波谷相遇时,一正一负正好抵消,波纹交叉点的水面在一刹那间恢复了短暂的平静——这种现象水波有,声波有,光波也有,但一堆台球却绝对模仿不来。“既波又粒”这种说法,就好像在说一个东西“既方又圆”“既左又右”“既黑又白”一样,在科学家逻辑分明的世界里根本没法成立。
于是自古以来,塞博坦星 上的科学家就分成两派:波派和粒派,两派之间势均力敌的百年战争从未分出胜负。
很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立?大家搁置争议、共同研究不就得了?
为了一个字 : 信仰 。