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1、光原委是什么？关于光本质的百年探究柯林中透出的Jt跋I光是我SI体蛤这个世界的洲，人类的附脸是光广探黑揩,我fj倩助可见光了财我们身边的世界通电的等慢网周会产生磁场，在这个林场的作用F,钛用发生定向排列新浪科技讯北京时间8月10I消息，光是我们体验这个世界的葩础，我们在黑暗中摸索，I1.到迎来黎明而对于光本版的理解，我们也同样经验了同样苦弼的过程。然而，光的确是一种特别难以理解的事物：假如你用一台放大镜将一束光不断放大，你会看到什么？当然光的运动速度是做快的，但原委乱什么东西在运动？面对这样的问8S,我们中的大部分人都会觉窗碓以-1答”然而状况其实并没有那么糟樵,光的本旗问题当然曾经在数百年里
2、难创了世界上果宏大的一些物理学家，但在过去的150年间，科学界在对光的本质探讨方面取得了一系列的突破性进展，向世人揭示了光的神奇本旗.因此，到目前的阶段，我们已经多少知遒了该如何回答这些何趣，今11的物理学家们不仅理解光的木侦，甚至他们还正在尝i在越来磁高的精度条件下限制此的行为，这就意味着在将来某一天，光或许将以种崭新的面貌被人类所利用.这一广袤前景也正是联合国将2015年UI定为“国际光年”(InIernatiOna1.Yearof1.ight)的缘由之一.世界1.第张彩色照片，由麦克斯书拍掇，时间是第1861箪光是一科落射有很多种方式可以说明光是什么这个问起.但这个说明或许是最通俗的：光
3、是一种幅射.这种说明将有助于人们的理解。比如我们都知道,接受过多的日光照猿而沽引发皮肤箱。我们也知道法露在辎射环境之中UJ能会引发某些种类鼎症的发病风险,因此，将这两者联系在一起应当并不困难，但并非全部的幅射都是相同的.事实上，直到19世纪末，科学家们才最终找出光辐射的玄正本麻。不过，比较好玩的是，这些发觉本身并非来自时光的探讨，而是来自数十年来科学家位对于电和稚性现象的探讨.电和破石上去好像是特别不同的两种事物.但在像奥斯特和法拉第这样的科学家的眼里，这两者是紧带关联的.奥斯特发觉.放置在通电导线旁的指南针会发生偏转，而法拉第则发觉,在磁场中运动的导线内部会产生电流.当时的数学家们起先尝试基
4、于这些视察创建一种理论来为这一被称作“电磁”(e1.ectromagnetic)新现飘给出说明.但直到詹姆斯麦克斯韦的出现,才迎来有关这问题的完整解决.麦克斯韦是一位科学巨匠，他对科学作出的贡献是难以估量:的爱因斯坦同样是受到了麦克斯韦的启发,他曾衣示,麦克斯韦忸久地变更了这个世界.拊开他其他方面的成就不谈，麦克斯韦的计算帮助揭示了光的本质。麦克斯E的工作首次从理论上证明白，电和底场的运动都具行波的性质，并且这种波的运动速度暴本上是光速，通过这一结论，麦克斯韦进一毋推断光本身可能也正是由电毡波所携带的一一这就意味着光是一种电磁忸射。到了1880年头，就在麦克斯韦离世之后不久，他国物理学家林兹首
5、次证明,麦克斯韦关于电磁波的理论概念型正确的.1850年头,麦克斯韦曾在英国阿伯丁高校工作.而在今H.同样在该校工作的物理学家恪雷汉姆豪尔（Grahan1.IIa1.DW1.h:“我确信,假如麦克斯书和林兹能够活到诺贝尔奖颁发的年头,他们两人招圣无疑问的共享一次诺贝尔奖.”事实上，麦克斯韦在光学领域的重要贡献还包括一线更为详细的缘由,比如他在1861年拍摄了世界上第一张彩色照片.他拍摄这张照片运用的三色谑t系统至今仍旧是很多彩色照相技术的暴础，我们密被殁化说,彩虹里有7种不同的场色、/VVPVT1.OIO2IO4IO6IO8IO10IO12IO14IO16IO18IO20IO22IO24然而我
6、们眼睹能蜕到的可见光事实上只不过是匏个电磁液中材别依空的小段区域彩虹僮让我们看到可见光波段中不同波K的色光光的色光是一种电陛辐射，这一慨父本身或许并不意味希很多东西.但这一观点将衲助我们说明种我的都已珞知晓的现象：光是由不同的颜色殂成的，这发觉还要追溯到牛领的时代.而在日常生活中，雨后的彩虹就是光的多色本质的自然展示而光的这些颜色便与麦克斯韦的电磁波埋论干脆相关.位于彩虹一端的红色光对应的足波长在620750nm之间的电磁波幅射：而紫色光对应的则是波长在380F5Onm之间的电磁波辐射.但在这些洋细可见的颜色之外,还存在着比这多得多的电感辅时.波长比我们看到的红光更长的光被称作红外光，而波长比
7、我们看到的紫色光更短的光则被称为紫外光。镌国马克斯普朗克仪子光学探i寸所的科学家埃利弗舍瑞奥斯-古尔利马战斯(E1.eftberSsGoU1.ie1.makiS)去示，很多动物能防看到紫外光，共至有一部分人也可以，而在某些特定的状况下，人眼疾至能筋察觉红外光。这可能也体现在了我们的语言习惯中：你会发觉,在英语中我们将红外光(infraredIighI)和紫外光(U1.traVio1.e1.Hght)称为“光”(1.ight),但对于那些波长比红外光奥长,或是比紫外光更短的电磁波，我们就不再的它们以“光”来命名了.比如波长比紫外光更短的是X射线(bray)和伽马射线(gammaray).古尔利马
8、基斯举例说：“一位医生会说,我要用X-raJ(X时级)照域目标，他不会说我要用X-ray1.ight(X射线光,但相比之下，在中文语境中这种倾向好像并不明显，比如我们会很自然的说红外线,紫外跳，还有去医院拍X光.在另一端.电磁波的波长也可以远远超出纣外波段,其波长达到1厘米甚至是数千公里.这样的电疏波搠有一线我们特别熟识的名字:微波和无线电波。当然,对于一般的民众来说，他们收听广播电台的无城电波竟然和光本质上是同一类东西，这一事实会让他们觉得难以理解。古尔利马范斯去示：“从知理学的角度来看，无我电波和可见光之间并没有什么区分.描述它们的方程式和数学方式是完全一样的。”实上，正是因为我们的11常
9、语言中赐予了它们不同的名字，才造成好像两者是有差异的这种错觉.牛顿羽点到，光在镜而何遨的产格的入射和反射路往，怆意识到这是校产流的特点儿的双缝试验以及得到的引暗干涉条妆.例行试验证明克J4仃波的怜烦这样，我们对于光就有了另外一种定义一一它是电磁波中特别窄的一个波段范围,也就是我们人眼能乘感知到的电磁波波段蒐国.换句话说我们所谓的“光”其实是一个特别主观的概念：只有我们行得到的电横波才是光.我们看不到的就不是.而要想知道我的对于光的概念是多么主观，让我们再次回到彩虹的话题.我的中的大多数人都知道彩虹有7种主要颜色,即所谓赤橙黄绿有改紫.在不同文化中，我们都创建出一线小口诀甚至歌曲来帮助我们记住这
10、些颜色，当你视察清晰呈现的彩虹,你或许会让自己确信,的礴存在这样的七种不同颜色。然而,当年的牛顿却发觉自己难以看到全部这7种颜色.名实上，探讨人员现在倾向于认为，之所以牛顿将光分成了7种不同的顺色，仅仅是因为“7”这个数字在西方文化中占有特别地位,如七声音阶，以及一周内的天数.而麦克斯韦的工作则带软我们完全超越了这一岛度，证明白可见光只是更宽广尺度上电磁波的一部分.这基本上可以说是最终解答了光的本质问超.通过狭缱之后.本平行的光线殳或突以水波的形态是粒子还是波?但在另4方面，科学家们数仃4：来也始终致力世啜弄济晰，从用基础的层面上，光原委是以何冲方式疗在并传措的？部分科学家认为光:的形式有点类
11、似波成小电的水纹，它可能是借助笠气或是力校难以捉摸的神奇物质“以太”来进行传播的,假丹外些科学家则认为这种行法是错俣的，他们指出，九应3是速粒子流，牛顿更它向千其次种理理.即光的曲子说,尤其是在在垢用光和愤子进行了一系列的相关试验之后，牛蚓更加整侑光是赖子流的理论正确性光原委是什么？关于光本质的百年探究（2）2015年08）10|：|07:45新浪科技我有话说（507人参加）保献本文牛顿在试验中钳意到，光的传播i3（循严格的几何法则。假如你正对一面镜子并射出一束光，它肯定会原路反射回来，这跟你射出一个小球击中镜子之后反弹回来是完全一样的。牛顿认为假如光是波，不应当会具备这种粒子的特性.据此，牛
12、顿推断光必定是由某种特别微小的，没有质讥的粒子所组成的，但这一理论存在一个产嫌的问遨.那就是同样有试5金证据,证明光具有波的特性.其中最闻名的项试收是在1801年进行的.英国物理学家托马斯杨（ThOas丫。Ung）开展。他闻名的“双试验”,这个试验在物理学上占据极其重要的地位,并且试验的原理特别简洁.每个人在家里都可以自己进行.详细的过程是这样的：你须要一张原纸板,随后特别当心地在它上面划出两道细缝.随后打芽一个“纯粹”的光源，也就是只会产生特定波长光城的光源,激光则是最志向的.然后将光源对准纸板上的这两遒狭Sb并使其在狭缱后的另一个表面上成像。在询尸狭缝纸板背后的另一个平面上，你心里的预期应
13、当是会看到两道光明的光带，因为来自光源的光践会分别穿过两道狭缝并投射到后方的平面上.然而，托马斯杨发觉，状况好像有点诡异，他看到的并非两道细细的光带，而是一系列明暗相间的条纹，就像条超市用的条形码.当光线通过狭继时.其表现钳来的行为与水波穿过狭窄开口时表现出的性质基本一样:它会发生衍射并形成半球状传播的波而在双试验中，当“光波”穿过两道狭缱并彼此相遇，F1.波峰面对对方的波谷时，它们相互抵消，形成暗帝；而当波峰与波峰相遇时，它们相互叠加,从而形成亮带，于是,明暗相间的“条形码”条税便出现了。托勺斯扬的理论无可争议地证明白光波理论的正确性，在加上麦克斯韦的己经在数学上为光是一种波的理论地定了坚实
14、的数学基础,于是科学家们大舒了-T1.气：最终尘埃落定了，光是一种波！门炽灯泡利用使绯产生电幽疆财的村舞制成.九足抑电磁懈射枝辄将光?分解为不同波长的色光光是粒子但疆梦还没结束，盘子革命起先了！在19世纪下半页，物理学家们想要弄清哪一个问遨，那就是为何在汲取和辎射电磁波方面，某些材料的性能要比其他材料更好，尽管现在看来这好像也没有什么，但由于在当时电灯产业正刚刚起步.因此任何能助辎时光的材符都是被虫点关注的对象.到了19世纪末，科学家们已羟意识到.一个物体福射出电破波的多少取袂于它自身的温衣.不同的温度会产生不同价的辑射.科学家们已经留意到这种关联,但没有人能峪回答为何会是这样.1900年，德
15、国物J?克斯昔朗克(MHXP1.anCk)解淡了这个问题。他发觉，通过计就可以解决这一问题，但前提是必雷将电极端射视作是单独的“小份”构成的。杵朗克将这种“小份”称作“量子”,数年后,爱因斯坦赐予这一思想,再次胜利地为另外一个麻烦的试购现象给出说明，透过云层行到的阳光光让我们能密味受身边的世界此前物理学家们留意到.用可见光或紫外光照耀一块金属板,金国板会带上正电荷.他们将这种现象称作“光电效应”，但对于原委为何会出现这种现象，物理学家们都写到困惑不已。爱因斯坦指出，这一现职背后的本旗是金属板中的原子在这一过程中失去了带负电的电子。很明显，照雄金圃板的光为这些金属原子带来的足鲂的能求，让其中的一
16、部分电子能就挖脱原子结构的束缚，然而,假如更加细致地用观这些电干的行为,我会发觉一些渔界的现象.科学家们发觉.只须要变更照耀光的颜色,我们就能轻松变更光携带的能吊大小.尤其是，科学宓们留意到,相比接受红光照耀的金属板,接受紫光照郴卜的金属板择放出来的电子拥有更高的能琏.既然如此，那么假如光仅仅是一种陆浩的波就难以说明白.一般来说，要想让某种波的能敢更覆，你须要使它变得“更商”一一想象一下海啸冲向砧地时的稗面而不是让波本身变得更长或是更短，由此推断，要想让照装佥制板的光能笏为金属板和放出的电子传递更多的能俄,那就应当让光这种波更高”，他沽来说就是，增加光照的覆度，而变更光的波长，也就是颜色，不应
17、当会产生什么变更才对。神奇的狙应粒子.成对的州级粒f之向，任成G於广的状态发生变更都会马上引41另个粒子的相心变史.这种蒙萌不受时向与Si隔果制J的光：它原委是波还是校子？在这一令人困感的现象面前，爱因斯坦意识到，运用将朗克提出的光的“技予化”思想，能峡做好地解决这一何麴.爱因斯坦提光是由许很多多微小的“能肽单位”组成的，这种离散的健*单位与光的波长干脆相关：波长越短，则其中的能及单位越密集,这样就使第说明为何波长较短的紫色光会比波长较长的红色光携带有更多的能量.它也可以说明为何单纯增加光照亮度并不会对金属板的电子择放产生什么影响一一在更壳的光照条件下，光源的确会向金属板传输更多的一能法单位“
18、，但并不会变更好一个“能法单位”内所包含的能朵大小,通俗的说就是，单一一个紫色光能吊单位“能铸为一个佥属桢中的电子传怆更算的能出，而红色光的“能收单位”不管有多少数麻，也达不到这样的目的.爱因斯坦将这些“能盘单位”称为“光子”.现在.光子已经被物理学界作为一种基本粒子予以承认.可见光是由光子构成的,其余全部的电磁波.包括X射线.微波和无线电波也都是一样,换句话说,光是粒子。光的波粒二象性以及它的饼值到了这个阶段,物理学家们确定结束这场关于光是波还是粒子的旷日长久的争吵一一这两种模型都拥有确凿的试验证据，因此无法否定其中的任何一种.让很多非物理学专业的人士感到困感不已的是，物理学家们最终确认，事
19、实上光辉同时表现出校子与波的特性.换句话说，光具有波粒二象性.但对于物理学家们而言,他们倒并不觉得光的这种双重身份带来了什么不便.相反,这让光变得更加有用.今日,在当年的先建者们一如麦克斯韦和爱因斯坦等建立的基础之上.科学家的正在进一步探寻利用光的这些特别性质的途径.物理学家们渐渐意识到，尽管光的波动方程和粒子方程都能特别好的描述光的行为，但在某些特定的状况下，其中的一种描述方程会比另外一种更简沽应用。因此物理学家们会依据不同状况在这两种描述方式之间进行选择切换，就像在生活中，同样是对长度的描述，但我们会用米来描述我们的身高，但会用公里来描述车的行程一样，一些物理学家正在尝试利用光来实现加密通
20、讯，比如用于平安的资金转账等等.对于他们来说,在开发这些功能时必把光看作了粒子.这是出于量子物理学的另外一项讲异性旗：两个基本粒子,如一对光子,其两者之间可以相互“刎缈”,这样的纠缠粒子之间存在一项令人惊异的性质：无论两者之间相距多远.它们之间都可以共享某相同的性质因此人们便可以利用这种性麻来实现地球上不同两点之间的信息通讯。这种纠缠粒子的另外顶性尤是，当对其进行视察时，将会变更纠缠粒子的信子态.因此,从理论上说,假如有任何人试图窥探运用了瘠子光学技术加密的信息时都将会马上暴露。而另外一些物理学家则更加关注光在电子学领域的应用.对于他们来说,将光视作是可以被操控的电磁波符会更有意义.利用光的售
21、旗开发光学计算机,将大人提升将来计厚机的件傥21M年，科学每到M持械时向仅约2M何杪的光脉冲作为相机闪光翼i,胜利柏摄到可见光的单个波彩图像，从而许次捕来到了光波在上何中运动的图像，这在以前是不敢忸象的一种被称为“光场合成器(1.ighfie1.dSyInheSiSerS)的现代设备可以特别精确的方式实现光波之间的同步性.这样它就可以产生相比假灯泡发出的光现强度史高,持续时间更短并且具备方向性的光波脓冲.在过去的15年间.这样的设备被广泛用于对光的限制.在20(H年埃利弗舍瑞奥斯古尔利T基斯和同事们胜利创建出极短的X射线脉冲,个脉冲的持续时间仅有250阿秒.一阿杪相当于100亿亿分之一秒(K)
22、的负18次方秒).运用这种极短的光脉冲作为相机闪光源,探讨组胜利拍摄到可见光的单个波形图像，后者的徭荡周期整比这种脓冲持续时间长得多,他们几乎拍摄到了光波在空间中运动的图像,古尔利马艰斯去示：“我们从麦克斯书的时代起就已经知道，光是种爱荡的电磴场，但在此之前还没有人能梦想到，有如11我们认至可以干脆拍摄到此实的光波影像,“能酩看到单独的光波是迈向限制和利用光波传怆信息的第一步.目前我们已羟利用波氏更长的电班波实现了信息传输,如我们利用无税电波传输广播和电视信号.大约个世纪以前.光电效胸向世人证明门可现光分时块金隔板内的电子产生彰响。古尔利叫格斯衣尔，将来我小幽行型对这些电子,文现精确探控，方法
23、是本川笑控的可虬光波.以一种精储的方式作用十余帆板，（也说：“我们能的限制光波，逃过它，我们还济彼基用制物%这前景与成为现实，电孑行业将迎来场新的革&,从而导致新代光学计徵机的诞生，这类计你机将比今11我们所运用的计象机体枳史小，运驾速收也更快。占尔利q范斯表示：“要制造那样的计先机将须要限制电子.使其依州我们预短的方式运动,并利用光波限制电流在团体中的流淌,而不是传统的电路方式.”于是,我们刈光乂行r种新的描述方式：光是种工具.这样的想法其或并不牌新，门从地球上用早的牛命挺牛.以来.牛.俞始终依泳汨尤而获m人类的眼脐居光广操;则器，我们俏助可见比物我们自动的世界。而现代技术只不过是让这个想法更向前进了一步.在2014昨，诺贝尔化学奖授予了独创一种强大显微镜技术的探讨人员，这种显微镜的实力强大到令人难以置信，甚至一度被认为在物理学上是不行能实现的.可以预见，随义技术的进步，光学还招带领我们目睹更多前所未见的奇景.（黑风）
