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1700931255 黑洞战争 [:1700930466]
1700931256 第4章 “爱因斯坦,请不要告诉上帝该做什么”
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1700931261 她放下杯子,胆怯地问道:“光是由波,还是由粒子组成的呢?”
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1700931263 房前的一棵大树下,放着一张桌子,三月兔和帽匠坐在旁边喝着茶,一只睡鼠在它们中间酣睡,那两个家伙把它当作垫子,把胳膊支在睡鼠身上,而且就在它的头上谈话。爱丽丝想道:“这睡鼠太不舒服了,不过它已睡着,可能就不在乎了。”[33]
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1700931265 自从爱丽丝上了最后一次科学课之后,她就深深地被某种东西所困惑,她希望她的这位新朋友可能会澄清这些混乱。她放下杯子,胆怯地问道:“光是由波,还是由粒子组成的呢?”“是的,完全是这样。”帽匠回答道。爱丽丝有些恼火,提高声音问道:“我重复一下我的问题:光是粒子还是波?答案是什么呢?”“是这样的。”帽匠回答。
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1700931267 欢迎来到乐趣屋,这儿是疯狂、混乱的量子世界,不确定法则和一切都无法感知。
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1700931269 部分地回答爱丽丝
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1700931271 牛顿认为光线是由一束微小的粒子组成的,几乎类似于从机枪中快速射出的小子弹。虽然这个理论几乎是全盘错误的,但它巧妙地解释了光的许多性质。直到1865年,苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦彻底怀疑牛顿的子弹理论。他证明光是由波——电磁波组成的。麦克斯韦建造的大厦惊人地坚固,不久就成为一个普遍接受的理论。
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1700931273 麦克斯韦指出,当电荷运动时,例如电线中电子的振动,运动电荷将导致波浪般的扰动,非常类似于在池塘中摆动手指所引起的波浪。
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1700931278 光波是由电磁场组成的,和带电粒子、导线中电流和普通磁铁周围的场完全一样。当电荷和电流振动时,发出的波在真空中以光速传播。事实上,当你把一束光射向两条狭缝时,你可以发现由波的叠加所形成的清晰的干涉图样。
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1700931283 麦克斯韦的理论甚至可以说明光为什么是五颜六色的。波由波长所表征,波长是从一个波峰到相邻波峰的距离。这里有两列波,第一列波的波长要比第二列长。
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1700931288 想象以光速运行的两列波恰好经过你的鼻子。当它们经过时,波周而复始地从最大值到最小值振荡,波长越短,波振荡得越快。每秒钟全振动(从最大值到最小值,再到最大值)的次数称为频率,显然短波的频率更高些。
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1700931290 当光到达你的眼睛时,不同频率的光对视网膜上的视网膜杆细胞和圆锥细胞影响方式不同。传往大脑的信号会显示成红色、橙色、黄色、绿色、蓝色或紫色,这依赖于频率(或波长)。相对于谱的蓝端或紫端来说,谱的红端由较长波长(或较低频率)的波组成:红光的波长大约是700纳米[34],然而紫光的波长只是它的一半。由于光传播得如此之快,因此振动的频率是非常巨大的。蓝光1秒钟振动1015次,红光的振动次数大约是该次数的一半。用物理术语来讲,蓝光的频率是1015赫。
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1700931292 光的波长能大于700纳米或小于400纳米吗?当然可以,但那就不再是可见光,眼睛对这样的波长不再敏感。紫外线和X射线的波长比紫光短,所有射线中波长最短的是伽马射线。在长波段,我们有红外线、微波和无线电波。从伽马射线到无线电波的整个谱就是著名的电磁辐射。
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1700931294 因此,爱丽丝,你所问问题的答案是:光的确是由波组成的。
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1700931296 但是请你等一下,不要太着急。在1900~1905年间,一个很令人困扰的意外发现,推翻了物理学的基础,使这个问题陷入完全混乱的状态之中达20年之久(某些人可能会说现在依然混乱)。在马克斯·普朗克(Max Planck)工作的基础之上,爱因斯坦完全“推翻了主流的范式”。本书没有足够的时间和篇幅,来详述他发现的历史,但是到1905年为止,爱因斯坦确信光是由粒子组成的,他称之为量子。不久以后,它们被命名为光子。我们将一个有趣的故事缩写到仅叙述它的实质,当光极其微弱时,它的行为像粒子,每次发射一个,就像断断续续的子弹一样。我们回到那个实验,光经过双缝后,最终到达一块屏上面。减弱光源,将其想象成微小的一滴。波理论家希望得到一个非常微弱的、波形的图案,它是几乎不可见的,也可能是完全不可见的。但无论可见与否,我们所期望的形状应是波形的。
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1700931301 通常情况下爱因斯坦是对的,但这不是他所预言的结果。他的理论得到的是光点,而不是连续的图形。第一次闪光无规则地出现在屏上不可预料的某点。下一次闪光随机地出现在另一处,接着是又一次闪光。如果把这些闪光照下来,叠加在一起,在这些随机闪光中会出现一个类似于波动的图样。
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1700931303 那么光是粒子还是波呢?答案依赖于所进行的实验和你所问的问题。如果实验涉及的光很暗,以至于每次流出一个光子,光表现为无法预测的、随机的光子。但如果有足够多的光子,以至于它们可以形成一个图案,光的行为就像波。伟大的物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)认为,光的波动理论和光的粒子理论是互补的,以此来描述这个令人混乱的状况。
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