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光的身世之謎(下)---- 科學月刊 602 期
2023/10/28 09:51:08瀏覽212|回應0|推薦2

2020-02-01 作者口述 秦一男∕淡江大學物理系助理教授。 撰稿 謝育哲∕本刊編輯。

所以光真的就是波嗎?波動的介質又是什麼?

由於光是電磁波的想法在19 世紀大行其道,因此物理學家為了再解釋光波動的特性,再次導入乙太〔註三〕作為光波的介質假設。由於「波動」本身即是介質的一種運動方式,例如水波是水的上下運動;聲波是空氣的振動,因此光波勢必要是某一種介質的振動 不過由於光的特性,乙太需具有以下令人匪夷所思,甚至難以理解與想像的特質:首先,由於光無所不在,哪怕是在最昏暗的洞穴深處中,打開手電筒也立刻會有光出現,因此乙太也必須無所不在,不然光可能會有傳遞上的困難(讀者可以想像成手電筒的光束走到一半就消失的窘境);第二,由於地球一直在運轉,身處其中的人們似乎也感受不到乙太的阻力,所以乙太必須毫無黏滯性;第三,由於地球與乙太碰撞時完全無法感受它的存在,對此乙太必須是理想鋼體(rigid body),同時密度也不能太大,不然在碰撞過程會造成能量消耗。上述的假設性質對於現代科學來說或許是毫無道理,甚至荒謬,但讀者必須理解,在100 多年前的科學界並未有現代科學的背景知識,物理學家只能對現有的觀測進行解釋。 由於馬克士威的電磁理論中,找不到任何一項關於介質的描述,再加上後續尋找乙太的邁克生-莫雷實驗(Michelson–Morley experiment)的失敗,幾乎宣告乙太的死刑。最後,愛因斯坦在狹義相對論(special relativity)中摒棄乙太的想法。

其實光同時是波也是粒子

1887 年, 赫茲在實驗時偶然發現了光電效應(photoelectric effect),他利用紫外光照射金屬電極時,金屬電極會產生電流。這看似一件毫無關聯的意外,卻引發了後續光學研究的大波瀾。由於此現象無法以光波學說解釋,於是物理學家則開始尋找光電效應背後的原理。 同時間,普朗克(Max Planck)在研究黑體輻射(blackbody radiation)時,提出全新的想法。他認為任何系統所吸收或發出頻率為v 的電磁波,自身的能量E 為光的頻率v 乘以普朗克常數h,即著名的光電效應方程式:E = hv,並提出光的能量是具有最小能量單位的光量子,成為物理學中「量子(quantum)」概念的濫觴。由於19 世紀物理學家普遍認為光屬於電磁波,而電磁波能量是連續的,但光量子的能量卻是不連續的,與過去的理論大相逕庭。因此光量子概念,本質上撼動了古典物理學的認知雖然如此,普朗克當時其實仍未放棄光是電磁波的想法,對他而言,光量子的說法也僅止用於解釋黑體輻射的問題。但後續愛因斯坦將赫茲的光電效應普朗克的光量子想法結合,提出光子(photon)的說法。他認為光子同時具有粒子與波動兩種性質,也就是眾所周知的「波粒二象性(wave-particle duality)」。對此,普朗克在提名推薦愛因斯坦成為普魯士科學院(Preußische Akademie der Wissenschaften)院士時曾說:「雖然他(愛因斯坦)在某些假設(光子學說)可能過分了一點,但仍瑕不掩瑜,好的科學本質上就是需要大膽的假設。」

不過,愛因斯坦直到過世前,都不太能夠接受量子物理的想法,雖然身為開啟量子研究的先驅,但他仍對量子感到疑惑與恐懼。愛因斯坦在過世前寄給好友貝索(Michele Angelo Besso)的信件中提到:「多年來的思索,使我依舊無法找出這個問題的答案:光量子到底是什麼?」而愛因斯坦對於量子物理的不安是後話了,有機會再向讀者訴說這段故事。 終於揭開身世的光 光的研究歷程一路到了光子學說可說是塵埃落定,後續也啟發德布羅伊(Louis de Broglie)的物質波理論(matter wave)〔註四〕海森堡(Werner Heisenberg)的測不準原理(uncertainty principle)等研究。但物理學的研究本身就是沒有盡頭的,19世紀時的物理界普遍認為,當時的物理研究已達顛峰,剩下的就只是修正某些物理常數的測量準確度罷了。但故事的結局大家都知道,赫茲、馬克士威甚至是愛因斯坦等人,不斷挑戰及翻新物理界的思維,造就現今人們對自然的認知。

〔註三〕乙太作為光介質的想法於17~18世紀大行其道,但由於當時大眾比較相信粒子說,再加上追尋乙太的實驗紛紛鎩羽而歸,因此乙太的想法後來漸漸被拋棄。但19世紀光是電磁波的發現,又讓波動說再次占上風,乙太的想法又死灰復燃。

〔註四〕德布羅伊認為,除了光之外,物質也具有波粒二象性。

( 知識學習隨堂筆記 )
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