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张天才:探索光的奥秘

时间:2022-03-06 08:18:40 来源:网友投稿

光之起源

从地球上有了人类开始,人类便与光相识了。光到底是何时才出现的?最早的光出现在宇宙大爆炸后的38万年,自从宇宙爆炸后,光就来到了地球上,人类通过光认识到了世界。人类之所以能认识光全靠眼睛,眼睛可以看到不同波长的光所反射出的颜色。这并不是一种“奇迹”,而是人类的一种生理和心理反应,其实这就是光子的作用。

1905年,爱因斯坦把组成光的能量的这种最小的基本单位叫做“光量子”。一直到了1926年,美国物理学家刘易斯才把它换成了今天常用的名词, 叫做“光子”。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展,例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等等。获得诺贝尔物理学奖的美国科学院院士J. Hall教授曾说过:“光的状态可以用波函数来描写,波函数主要描写的单粒子体系是某一时刻的状态。所有由波函数描写的光的状态都称为量子状态。”

光连世界

自从光来到地球上后,它就成为了人类生活、工作、学习中必不可缺的一部分,地球上的每一寸土地、每一个部分都需要光。为了强调光对人类生活以及未来社会发展的重要性,2015年被国际组织定为国际光年,这不仅是一个全球性的行动,更是一个难得的契机。

因为有了光,世界也成为了连续而不可分的,既然世界也是连续无限不可分的,那么原子是否也是不可分割的呢?答案是肯定的,因为原子是最小的物质微粒子,原子既有坚实性,并且还“捉摸不定”。

太阳与月亮是由原子组成的,原子运动引起碰撞,原子下落中偏离方向产生涡旋,形成涡旋运动,从而形成各类星体。一般来说,世界上的物质都是由原子组成的,世界统一为原子。

原子的质量极小,质量主要集中在质子和中子上。原子核外分布着电子,电子跃迁产生出光谱,每当所有质子数相同的原子组成元素时,每种元素大多有一种不稳定的同位素,可以进行放射性衰变。随着人类的进步,原子逐渐从抽象的概念演变成为科学的理论,原子核以及电子属于微观粒子,它们构成原子,而原子又可以构成分子。

光之结构

在物理学中有62种基本粒子,光子是跟人类最亲近的基本粒子,黑暗中哪怕只有一个光子,人眼也能看得见。欧几里德曾认为:光是眼睛发出的,由眼睛发出的光沿直线传播,经物体反射回到眼睛形成视觉。但经科学研究我们知道,光的反射就像带箭头的小球,光是从光源发出的,它在空中呈球状向四面八方辐射开来。从一个点光源发出的光线的能量不是连续不断地扩散到越来越大的空间,光包含了有限数目的能量子,这些能量子在局域空间中不断移动、不能被分解,只能以完整的单元被产生和吸收分离,它不能再分成更小的单元。

那么光有没有波动性呢?光确实也是一种波,光的波动性被双缝干涉试验证明。光在本质上就是一个一个的光子、一个一个小点,像一粒一粒沙子,并且还有确定的位置,它们像光但又不是光波,它像波浪一样,是弥散的,不在某个确定的地方,而是很大的某个区域。

讲了这么多,这些其实都是光子结构的测量。在量子电动力学中,光子结构的测量一般都依赖于电子以及正负电子对撞时深度非线性散射的观测。光子既能以无尺寸粒子,即轻子的方式参与相互作用,也能以一组夸克和胶子的集合体,即强子的方式参与来决定光子的结构,光子的结构并不是像质子那样由传统的价夸克分布,而是由轻子的涨落而形成的部分子的集合。

如今,人类通过光子研发出了许多伟大的发明,如显微镜,它的出现对人类观察微观世界极为重要,直接导致了生物学等其他学科领域的重大进展;望远镜,它的出现让人类对宇宙有了新的认知;计算机,它的出现使人类进入信息时代;激光,它是20世纪光学最重要的技术之一。

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