1924年,法国物理学家路易.德布罗意(Louis de Broglie)
站出来平息纷争了,他说“波派”和“粒派”谁都没有错,光既是波,也是粒子。
和自然界所有的微观粒子或者量子一样,光子也具有“波粒二象性”。
至此,人类迈进了量子光学研究的大门。
光的电磁说
自从19世纪初,初代杨氏双缝干涉实验诞生以来,
光的波动说就逐渐得到了公认。与此同时也带来了一个问题,
光是什么性质的波?难道真的像惠更斯所说的那样,
是类似于水波、声波的机械波吗?
光波的本质是什么,这个问题一直没有解决。
直到19世纪60年代,英国物理学家、
数学家麦克斯韦预言了电磁波的存在,
并且从理论上得出,电磁波在真空中的传播速度应为3.11×108m/s,
而当时实验测得的光速为3.15×108m/s,两个数值非常接近。
麦克斯韦认为这不是一种巧合。
它似乎在暗示光与电磁现象之间有着本质的联系。
由此麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组(Maxwell's equations)。
从麦克斯韦方程组,可以推论出电磁波在真空中以光速传播,
进而得出光的本质是电磁波的猜想。这就是光的电磁说。
这里跟大家穿插一个小故事,2004年,
英国的科学期刊《物理世界》(Physics World)
举办了一个活动:让读者投票选出科学史上最伟大的公式。
结果,麦克斯韦方程组力压质能方程、欧拉公式、
牛顿第二定律、勾股定理、薛定谔方程等”方程界“的巨擘,高居榜首。
麦克斯韦方程组以一种近乎完美的方式统一了电和磁,
并预言光就是一种电磁波,这是物理学家在统一之路上的巨大进步。
不过,麦克斯韦只是从理论上预言了光就是电磁波,
并没能用实验证实他的理论。
到了1887年,麦克斯韦去世8年后,
德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)
首次用实验证实了电磁波的存在,
并且测出了实验中的电磁波的频率和波长,
从而计算出了电磁波的传播速度,
发现电磁波的速度确实与光速相同。
赫兹的实验证实了麦克斯韦的预见。
光,分为广义的光和狭义的光。
通常我们提到“光”时,指的就是可见光,这是狭义的光。
而广义的光是电磁波全频段,包括无线电波、
红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等等。
可见光只占了电磁波谱里面很窄的一个频段,
波长在380nm(纳米)~760nm之间,
这就是人类眼睛能够感觉到的光的范围。
除了可见光波段,其余都是不可见光范畴,
而这些电磁辐射也都是依靠光子传递的。
所有的电磁波在真空中的传播速度也都是相同的,就是我们所说的光速。
广义上的光的波长可以上到千米,下到飞米。
也就是说最长的无线电波的波长可达到数千米乃至亿米,
而波长最短的γ射线的波长只有百万亿分之一米,甚至亿亿分之一米。
麦克斯韦方程式不仅预言了光的本质是电磁波,
还可以推导出物理学上的另一条重要定律:光速不变。
光速不变