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GEO杂志:光子的“身份证照”长什么样?

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发表于2015-3-31 09:00
来源: GEO杂志
作者: 孙正凡
所属分类:GEO计划

编者按:光具有波粒二象性,已经是人所尽知的科学常识。但光为何具有波与粒子两种性质,这两种性质能否同时显现?直到2015年,随着瑞士洛桑理工学院的科学家们为已经110岁的光子第一次留了影,答案终于揭晓。

作者简介:天体物理学博士,科普作家、第六版《十万个为什么》编辑、知名科学传播团体——科学松鼠会会员。毕业于中国科技大学天体物理中心,研究方向为宇宙学。对科技史、人文历史广泛涉猎。近年来关注科学革命及其影响、公众理解科学、中西文化比较。

光子到底长啥样,咱们得先从光究竟是什么说起……
光究竟是什么,对人类而言曾是长久的迷。

中国古代最早的光学研究是战国时期墨家学者编著的《墨经》,其中记载了八条光学经验定律,指出光与影、镜面成像、小孔成像等规律。
而古希腊人对于光的性质提出了几种猜想。原子论者德谟克利特认为:光是从物体表面脱离的原子影像进入我们眼睛里,从而形成视觉影像;毕达哥拉斯等人则主张“发射说”:认为光是眼睛里发射出来的一种“焰流”,视觉与触觉类似,是焰流遇到物体而形成的。

到了17世纪的科学革命时期,笛卡尔、牛顿、惠更斯、胡克等科学大师都对光学理论进行了深入研究,并从光的性质来解释光的传播规律。
这时,人们对光的性质已经有了初步了解。笛卡尔和牛顿认为:光是速度无限大的微粒,用“微粒说”解释了光的反射、折射、衍射等现象;而惠更斯和胡克则认为:光是一种波动,是一种球面波,球面上的每一点又可以作为波源,产生新的球面波,从而产生各种光学现象。
“微粒说”和“波动说”两大派系都能够自成体系,但也无法否定对方。就此,光究竟是波动还是粒子,成了个世纪难题。

19世纪初,“英国科学家托马斯·杨进行了著名的双峰实验,把同一束光透过挡板上的两条狭缝,使衍射光线发生干涉,在后面的屏上得到明暗相间的干涉条纹。这个实验说明,衍射过程,光发生了绕射、叠加和相消等现象,这些都是波的性质。
但是,1887年德国科学家海因里希·赫兹发现了光电效应:如紫外线照射到金属表面,电子会从表面被“打”出来成为自由电子。光电效应的规律,是无法用“波动说”完全解释的。刚刚获得巨大成功的“波动说”,转眼就遇到了这么大的危机!
出手解决这个难题的,就是当时还名不见经传的年轻人爱因斯坦。1905年,他发表了论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,指出光束不是连续的波动,而是离散的量子化波包,称为“光量子”(后来称为光子),其能量大小由频率决定。金属表面的电子吸收光量子时,也只能吸收一份,而不是好几份,所以只有频率高于特定值的光量子,才能使电子获得能量摆脱金属表面束缚,产生光电效应。按照这种描述,光既具有波动性质(频率是波的标志),又具有粒子性质(离散发射),这就是著名的光“波粒二象性”理论。
波粒二象性的提出,标志着传统观念中能量“无限可分”的思想(类似“一尺之椎,日取其半,万世不绝”)是不正确的,而17世纪以来的“微粒说”和“波动说”的成功,只是因为它们取了波粒二象性的某些方面,要全面解释光现象,它们都会遭遇矛盾。

爱因斯坦“光子”的发现,开启了通向量子物理学的道路,他也因为“对理论物理学的成就,特别是光电效应定律的发现”而获得了1921年诺贝尔物理学奖。额外提一句,爱因斯坦的其他成就如狭义相对论和广义相对论,因为较晚才得到证明反而没有获诺贝尔奖,但后者的意义是远超出诺贝尔奖的。
波动和粒子,这两种在历史上曾经水火不容的矛盾,在现代物理学中得到了统一:光子既像波一样有频率、波长,又像粒子一样具有特定的能量、质量。有时候光子出现在特定位置(比如产生光电效应时),有时又同时出现在不同地方(如双缝干涉实验中)。多年来一直有科学家试图同时直观地揭示光子的粒子性和波动性,但绝大多数实验中,最终观测到的只有一种性质。

敢情爱大爷也未遂,群众表示情绪不稳定了……咳,别急,来了——
这个状况在2015年3月2日得到了突破。英国《自然·通讯》杂志刊登了由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)拍摄的一张照片,同时表现了光的波粒二象性。这种方法是怎么看见并且测量光的?说起来很巧妙,是利用了电子的波粒二象性来测量光子的波粒二象性。
测量长度需要尺子,而光本身就是一把理想的尺子。因为光子的波长很短,可见光波长范围只有400~760纳米。但要对光本身进行测量,我们就需要一把更短的尺子,这就是电子显微镜,因为电子的波长比可见光波长还短10万倍,光子和电子发生作用也相当容易。 
瑞士的科学家们,把一束波长为800纳米的激光发射到一根直径45纳米、长度3400纳米的精细金属线上。激光激发了金属线上的带电粒子,产生振动。进而激光沿着金属线传播。用两束激光从两端以相反方向传播,它们在某种条件下可以形成“驻波”,顾名思义就是保持波的形状,但形状“停止”不动了。我们两个人保持某种频率用力抖动一根绳子时,绳子上也可能会出现这种驻波现象。在波峰周围,是强度很高的激光,而在幅度为零处,方向相反的激光彼此抵消(即此处没有光子)。
这时候,科学家们又发射了一束电子接近纳米线,也就是使电子和金属线周围的驻波激光发生作用。科学家们使用超快透射电子显微镜(UTEM)来接收经过驻波之后的电子。由于电子和光子会发生作用,导致电子的速度发生变化,因此,电子显微镜上显示电子速度发生变化的区域,就是激光驻波的形状,这就是光的波动性最直观的证据。

超快透射电子显微镜还能够测量电子速度改变的具体数值,也就是发生能量交换的大小,结果表明,电子和光子的之间的能量交换,都是以不连续的、具有特定大小“能量波包”形式出现的,这就证明了激光光子的粒子性。
就这样,瑞士科学家们从电子显微镜上得到第一张可以同时、直观表达光的“波粒二象性”的证明照片,110岁的物理名词“光子”终于有了表明自身特性的“身份证照片”!

原来,光子就长这样:

瑞士洛桑理工学院科学家所拍摄的光的照片,这张照片同时表现出光的波与粒子性质。 瑞士洛桑理工学院供图。

和你想的有差距吗?不过重要的可不是长相——这张照片证明科学家已经可以直接拍摄量子力学现象的性质,是一项具有开创性的研究。在纳米尺度上控制量子现象并测量其性质,也是未来量子纠缠现象研究、量子计算机技术所需要的,代表着未来量子光学发展的新途径。


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