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liyuanyuan0707银虫 (小有名气)
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史上最伟大的物理实验:)——(光的本性)
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史上最伟大的物理实验 ——(光的本性)取了个吓人的标题，其实要说的就是杨氏双缝试验。 想和大家讨论下光的本性问题，再把前面关于量子理论的讨论总结一下。 托马斯扬的这个实验大家都很熟悉，让光通过两个距离很近的缝，在双缝后放置一个感光屏。托马斯本来的目的很单纯，只是为了证明光是一种波。结果果然发现，光通过两条狭缝之后，在感光屏上能形成干涉条纹。 在之前，牛顿从他的力学出发，假想光是由微粒组成的，这些微粒的运动遵从牛顿运动定律。在这个基础上建立起来的理论，我们叫它几何光学。牛顿时期的人都相信它。 在双缝试验之后，人们开始认为光是一种波了。特别是麦克思韦的电磁场方程提出以后，光作为一种电磁波，波动方程也找到了。这时候波动光学发展到了一个完美的境地，再也没人提光的微粒说了。 然而，还是有“大逆不道”之人，爱因斯坦从光电效应出发，大概还受了点普朗克黑体辐射理论的启发，提出了“光子”理论。 不过没人理他，直到康普顿散射实验得到了光子存在的直接证据，这时候人们把光这种又似粒子又似波的性质叫做波粒二象性。 现在问题来了：光子在双缝试验中是如何运动的？这要由量子力学来解释。不记得谁说过：量子力学的全部怪异性就体现在双缝试验里了。 1.光子作为粒子，是如何同时通过双缝的呢？ 不观察双缝时，出现干涉条纹，我们只能说它同时经过两条缝； 观察时，不出现条纹，粒子从其中一条缝经过， 多次重复观察发现经过两条缝的几率相同。 量子力学正统的哥本哈根解释说，只能概率性的确定粒子的状态，所以... 爱因斯坦说上帝不掷色子，有我们不知道的因素在影响它，所以说现在的量子力学是不完备的... 观察（测量）在波函数塌缩中起的作用到底是什么，波函数塌缩的机制是什么，没有人知道。 2.在微观世界这个不完备性对我们来说不难接受，薛定谔把它扩大到宏观效应，这就是薛定谔的猫试验。 在双缝中装上盖革计数器，如果第一条缝的盖革计数器检测到光子通过，系统启动把猫杀死。如果第二条缝的盖革计数器检测到光子通过，猫就能幸免于难。把整个装置放在一个封闭的房间里，在进入房间观测之前猫处于半死半活的状态，这让人很难接受。 爱因斯坦说上帝不掷色子。猫已经死了或没死,必居其一,只是在观测之前无法知道。这叫实在论的观点。 以海森堡为代表的实证论会这样说：观测前猫是死是活？这个问题没有意义！ 而且这个不太通的解释是我们现在的正统观点！ 而实在论也有它的困境：考虑一个从10亿光年远处飞来的一个光子，如果说它有确定的路径，而不是几率性的决定它的路径。它在十亿年前好像就已经知道我们今天会不会去观察它，而决定是从两条缝经过还是从其中一条缝经过... 3.EPR试验。 现用两只小猫来做这个试验。如果光子从第一条缝经过，那么第一只猫死第二只猫活；如果光子从第二条缝经过，那么第二只猫死第一只猫活。没观察之前由于波动性，光子从两条缝经过，两只猫都处于半死半活的叠加态；观察之后波函数塌缩，这样，光子只能以一半的几率从缝一或缝二经过，猫一只死一只活。 在观测之前两只猫都处于半死半活的迭加态中，而且观测之后必有一死一活，我们说两只猫处于纠缠态：一旦我们去观测一只猫的状态，确定它活着（或死了），那么另一只猫（不管之前把它运离多远）就马上摆脱半死不活的状态，死了（或活着）。这就是EPR试验的猫版本，爱因斯坦把这叫做幽灵般的超距作用。 后来阿斯派克特用电子自旋做了这个试验，肯定了纠缠态的超距作用，这就是Bell定理。现在人们正在努力，想把它用于通讯... 4.电子 电子和光子都以这种怪异的方式运动所幸的是“它们怪得一样”，电子经过双缝会发生同样的事。如果用波长小于两缝之间距离的强光去观察，条纹被破坏；如果用波长大于两缝之间距离的弱光去观察，条纹仍在，这时就无法知道电子从那条缝经过了！(测不准原理) 光的本性的另一个方面：光速不变。沿这条路探险的就是相对论了...不提 光到底是什么？ 转贴一份资料，光真的很神秘 [资料]：专题：缅怀马祖光院士 主持人敬一丹： ...... 哈尔滨工业大学的马祖光就是这样一位让人尊敬的教授。他的学生所进行的慢光研究，是把光传播的速度减慢，这是国际激光领域的前沿课题。 记者：我们都知道在真空的条件下，光速是每秒30万公里，那么我们现在说的慢光是什么意思呢？ 掌蕴东(马祖光的学生，哈尔滨工业大学教授)：慢光就是把光的全速，这个传播速度把它降慢，降到极慢。 解说：掌蕴东研究的慢光是当前激光领域的一个前沿热点课题，从2002年开始，他花了半年多时间，做了每秒只传出27米的慢光。 掌蕴东：应该说是国际上是第二个做出来，用这种方法做出慢光是第二个。国外当时做的是每秒57米，我现在可以做到每秒20几米。 解说：这一实验成功，表明光速可以人为控制，它可以用于光缆的信号传输，也可以用于激光器的进一步研发，这是位于国际领先水平的研究成果。为此感到高兴的不仅仅是掌蕴东本人，更有他的老师马祖光。 关于介质中的光速 光在透过介质时，先是被介质吸收了，然后再放出（比吸进去的少）。正是在这个过程中浪费了一点时间 激光也是利用了这个原理。当电子得到能量时，会偏离原来的轨道，向外跃迁，但由于新轨道不稳定，又会回到原来的轨道，而以光子的形式放出多余的能量。人们通过一定的方式使电子多得能量，然后使其放出光子，所以把这样发出来的光称为激光。平时物体燃烧会发光正是这个原因：空气被加热至等离子态，就发光。还有焰色反应也是这个原理。激光的稍微复杂了点。激光所用的激发方式不是加热，不过要造激光就要有被激发的介质，而且纯度要高（一般用钻石或水晶，也有用气体的），激发光源当然是单色光。这样相当频率的光，与相同物理性质的介质，激发出来的就都是相同频率的光，确保光束不会发散。 一个关于光的笑话 科学对这样的局面并不陌生：一个学说适用于一组事实，而另一组学说能解释另一组事实。但是，在以前的事实中，所以出现这种局面，总有个理由好象说得通。例如，麦克斯韦方程不适用于万有引力，这并没有引起不安，因为在那个阶段上，谁也没料想到会发现电和引力有什么关联。但是现在物理学眼前却是个全新的局面：同一个实体－－光－－既是波又是微粒。为了解释干涉、衍射，光必须是波；而光电效应又使它成为粒子。这种剪不断、理还乱的两难局面叫每一个真正物理学家坐卧不安、心惊肉跳：光居然是两种如此矛盾的东西，真不够意思。科学中暗藏着这样一种未澄清的二象性，侵蚀了它的要害部位，这是同物理学的一切理想和传统都格格不入的。然而，两方各自如山的铁证又是那样无隙可击。物理学家心中的那种苦啊，令人惨不忍睹。他们也只能随遇而安，带着一副愁眉苦脸四处徘徊，悲叹他们在星期一、三、五必须把光看成是波，而在星期二、四、六又必须将光看成是粒子。那么，星期天呢？他们干脆就祈求上天保佑了。 |
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