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图12.8 迈克尔逊干涉仪
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如此高精度的仪器,我们自己做一个其实也不难。找来两块小镜子,一块玻璃片(如显微镜用的载玻片)就可以了,见图12.9。把两块镜子拼成一个直角(要求不严格),把玻璃片用一个焊接台夹住,方便调整其位置。激光二极管的聚焦头稍微拧开一些,这样照射到反射镜上的就是一个比较大的光斑而不是一个点。
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图12.9 自制迈克尔逊干涉仪
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通过这个装置照射到干涉屏(可以是白色的墙壁或者一张白纸),我们可以看到如图12.10(A)所示的两个光斑,一般情况下,这两个光斑并不重合。这时,我们就需要小心调整分光镜的位置和角度,来使得这两个光斑尽量靠在一起。这时候可以用光斑上的一些结构来充当向导,比如图12.10(A)中光斑左下部分有一个圆形结构,这可能是激光聚焦透镜上的一些小灰尘引起的。在调整分光镜时,就可以努力让这两个光斑中的圆形结构重合。当它们接近完全重合时,我们就能看到如图12.10(B)所示美丽的圆环形干涉条纹了。
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图12.10 干涉条纹的形成
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这个调整的过程需要耐心和细致,因为两个光斑稍微错开一点,干涉条纹就消失了。为了能够更精确地调节光斑的位置,我们需要一种可以细致调节分光镜或者反射镜形态的装置。当年我在亚利桑那大学物理系厮混时,那里有丰富的机械加工条件,所以我就得以制作了如图12.11所示,看起来颇为专业的迈克尔逊干涉仪。你可以看到,这里分光镜是固定的,两面反射镜的倾角可以通过旋转它背后的3根螺丝钉来调整。反射镜粘贴在一块小木板上,小木板通过一根弹簧连接到L形铝制固定架上,3根螺丝钉抵住小木板,使得弹簧稍微拉伸。这样旋转螺丝钉就能细微地改变反射镜的角度,从而调整光斑的位置就变得轻而易举了。实际上这种调节装置在真正的光学研究中应用很广泛,通过螺丝,把沿某一个方向的直线运动转换成其垂直方向的圆周运动,实现了把微小位移放大的作用(我们拧一圈螺丝,它只在直线方向上运动很小一段距离)。
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图12.11 更专业的迈克尔逊干涉仪
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探索与发现
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迈克尔逊干涉仪以其超高的灵敏度,被科学家们用来探测非常微小的距离变化。目前一项多国科学家参与的大科学项目LIGO(Light Interferometer Gravitational Wave Observatory,光干涉引力波观测台),就是数台散布于全球的巨型迈克尔逊干涉仪(见图12.12)。这些干涉仪的反射镜与分光镜之间的距离在3~4km,它们的目的是想探测空间距离在引力波的作用下出现的微小伸缩。根据爱因斯坦先生的广义相对论,遥远的,大质量的星星们在绕着彼此旋转的过程中,会释放出引力波,就像声波一样在空间里传播。声波是空气的周期性压缩和扩张的过程,而引力波则是空间与时间的周期性压缩和扩张的过程。这样的引力波到达地球时,就会引起LIGO两面反射镜与分光镜之间的距离的变化,从而导致干涉条纹的移动。目前,这个实验正在进行之中。
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图12.12 位于美国华盛顿州的一台LIGO巨型迈克尔逊干涉仪。图片取自www.ligo.org
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话说人类对于光的认识的发展从未停止过,自从泊松亮斑被观察到以后,菲涅耳关于光是一种波动的理论开始被大家广泛接受并运用,但是这种波动究竟是啥东西在运动却并不明了(如我们知道声波是空气分子在运动)。数年之后,英国理论物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)先生根据法拉第等实验物理学家的观察结果,写下了著名的描述电磁波的麦克斯韦方程组(我们在逆磁悬浮那一章讨论过),并指出光其实就是人眼可见的电磁波(波长处于390~790nm)。于是民间流传着这么一句话:“God said: let there be Maxwell! And there was light.”
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光的波动理论至此算是功德圆满,登峰造极了。然而凡事都是乐极生悲,在19世纪末期,几个奇怪的实验结果困扰着笃信光的波动理论的人们:一个是光电效应,一个是黑体辐射(我们将在后面“给太阳量体温”一章中讨论黑体辐射)。实验科学家们观察到,当蓝光,或者紫外光照射到金属表面时,能够激发出电子来,这被称为光电效应。这倒是不难理解,光波的能量被电子吸收了,从而电子可以逃脱金属晶体中带正电的粒子的吸引。但是,奇怪的是这些逃脱出来的电子的动能与入射光的明亮程度无关,只与它们的颜色(即频率)有关。而且用同一颜色的光照射金属,发射出来的电子的动能总是一致的。按照光的波动理论,越明亮的光能量越强,那么被它照射到的电子就会吸收更多的能量,从而逃脱出来时应该具有更大的动能;而且电子也可以呆在金属体内积累一些光波的能量后再跑出来,这个积累的时间可长可短,所以逃脱出的电子的动能应该有一定的分布,而不是单一值。
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这些实验的结果导致了人们不得不重新审视光的波动理论。然而传统观念深入人心,哪里是那么容易找到突破口的?幸亏这时有一位传统知识学得不好的年轻人横空出世了,这便是爱因斯坦先生,还有与之同时代的普朗克先生(Max Plank),他们分别在处理光电效应和黑体辐射这两个问题上找到了突破口。他们的新理论指出,光的能量是一份一份的在空间中传播的,这每一份不能再被细分,也不能两份拼凑在一起组成一份。这一份光的能量就像是一个粒子一样,我们称为光子(Photon)或光的量子。每个光子的能量与组成它的电磁波的频率成正比,E=hv,其中E是这个光子的能量,v是它的频率,h是一个比例常数,称为普朗克常数(h≈6.63x10-34J · s)。这样,光电效应的所有谜题都得到了完美的解释。正因为光子的能量只与其相应电磁波的频率有关,而与其亮度(单位体积内的光子个数)无关,所以逃脱出来的电子的动能只与入射光的颜色有关。也正因为光子的能量是一份一份的,每一份都相同(对于单色光),所以逃脱出来的电子的动能是单一值。
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自此,人类对于微观世界的认识进入了量子物理时代,量子世界中各种物理量的度量都是与普朗克常数紧密相关的。这个数字看起来或许太小,与我们生活的世界离得太远,其实不然。以650nm的红光为例,其频率为
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那么对应的每一个红光光子的能量为E=hv=6.63×10-34J·s×4.6×1014Hz=3×10-19J,这还是一个很小很小的数字。但是,在普通红光二极管,或者是红色激光二极管中,每个光子的能量等于电子从高能带跳跃到低能带时释放出的能量(请参考本书第2章“激光”),或者我们也可以认为是电子从负极运动到正极所减小的电势能,这个能量等于电子电荷乘以正负极的电势差。我们来看要释放出一个能量微乎其微的红光光子需要多大的电势差:
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