奧林巴斯顯微鏡光是粒子或者波嗎？

 可見光的確切性質(zhì)是一個(gè)幾個(gè)世紀(jì)以來不解的謎。從古代的畢達(dá)哥拉紀(jì)律希臘科學(xué)家大膽假設(shè)每一個(gè)可見的對(duì)象發(fā)出穩(wěn)定的粒子流，而亞里斯多德認(rèn)為光傳播的方式類似于海洋里的波浪。盡管這些想法在過去的 20 世紀(jì)經(jīng)歷過無數(shù)的修改和很大程度的進(jìn)化，本質(zhì)的希臘哲學(xué)家們所建立的爭(zhēng)議一直持續(xù)到今天。

一種觀點(diǎn)設(shè)想光一樣的波狀的性質(zhì)，產(chǎn)生的能量，遍歷的方式類似于蔓延打擾丟棄的石頭后，表面的平靜的池塘的漣漪的空間。反對(duì)的觀點(diǎn)認(rèn)為光由組成的穩(wěn)定的粒子流，就像水從花園軟管噴嘴噴射的微小液滴。在過去的幾個(gè)世紀(jì)，期間一致的意見有動(dòng)搖過的與普遍存在的一段時(shí)間，只是要被其他的證據(jù)推翻的一個(gè)視圖。僅在 20 世紀(jì)*個(gè)十年期間足夠令人信服的證據(jù)收集，提供一個(gè)全面的答案，并讓所有人驚訝的是，這兩種理論證明是正確的至少在部分。

在十八世紀(jì)初，關(guān)于光的本質(zhì)的爭(zhēng)論已經(jīng)變成了科學(xué)界大力爭(zhēng)奪的他們*喜歡的理論有效性的劃分陣營(yíng)。一組科學(xué)家，訂閱了波浪理論，為中心的荷蘭人克里斯蒂安 · 惠更斯發(fā)現(xiàn)他們的論點(diǎn)。對(duì)立陣營(yíng)引艾薩克 · 牛頓的棱鏡實(shí)驗(yàn)證明光旅行作為洗澡的粒子，每個(gè)程序在一條直線，直到它被折射，吸收、 反射、 衍射或以某種其他方式干擾。雖然牛頓，自己，看起來好像有一些疑問，他微粒子理論性質(zhì)的光，他的聲望在科學(xué)共同體中舉行了這么多的重量，他的支持者在他們激烈的戰(zhàn)爭(zhēng)期間忽略所有其他證據(jù)。

惠更斯理論的光的折射，光線，類似波的性質(zhì)的概念基礎(chǔ)舉行任何物質(zhì)在光的速度成反比是它的折射率的比例。換句話說，惠更斯假設(shè)越多的光是"彎曲"或折射的一種物質(zhì)，得越慢它會(huì)移動(dòng)而穿越這種物質(zhì)。他的追隨者們認(rèn)為，如果光由組成的粒子流，然后會(huì)發(fā)生相反的效果，因?yàn)檫M(jìn)入更緊密的介質(zhì)的光會(huì)被吸引的分子在中期和經(jīng)驗(yàn)的增加，而不是減少，速度。雖然這一論點(diǎn)的**解決方案將測(cè)量光在不同物質(zhì)中的速度，空氣和玻璃為例，期的設(shè)備并不勝任這項(xiàng)任務(wù)。光出現(xiàn)任何它所通過的材料相同的速度移動(dòng)。*過 150 年后才可能具有足夠高的精度，證明惠更斯理論是正確的測(cè)量光的速度。

盡管很高的盛譽(yù)的艾薩克 · 牛頓爵士，**科學(xué)家在 18 世紀(jì)早期的數(shù)目不同意他微粒子理論。有些人認(rèn)為如果光組成的粒子，然后當(dāng)兩束交叉，一些粒子會(huì)互相碰撞產(chǎn)生光束的偏差。很明顯，這不是如此，所以他們的結(jié)論是光不必須由單個(gè)粒子組成。

惠更斯，為他的直覺，曾建議他 1690年傷寒論 》 Traité de la Lumière ，光波旅行通過介導(dǎo)醚，一種神秘的失重物質(zhì)，作為整個(gè)空氣和空間的無形實(shí)體存在的空間。醚搜索在十九世紀(jì)之前*后下崗休息過程中消耗大量的資源。醚理論持續(xù)了至少直到十九世紀(jì)末，查爾斯 · 惠斯通提出的模型展示醚攜帶光波的振動(dòng)在垂直于光傳播的方向角和 James 克拉克 · 麥克斯韋的詳細(xì)描述的看不見的物質(zhì)建設(shè)模型可見一斑。惠更斯認(rèn)為醚在相同的方向的光，振動(dòng)，形成一波本身作為它運(yùn)載了光波。在后來的卷，惠更斯原理，他巧妙地描述了每個(gè)點(diǎn)上一波如何能產(chǎn)生它自己小波，其中一起將添加到表單的波前。惠更斯雇用這個(gè)想法產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，詳細(xì)的理論，解釋為什么光線就不會(huì)崩潰時(shí)他們交叉路徑，對(duì)方。

當(dāng)一束光旅行之間有不同的折射指數(shù)的兩種介質(zhì)時(shí)，梁經(jīng)歷折射，并改變方向，當(dāng)它通過從*種介質(zhì)入第二個(gè)。若要確定是否這束光由波或粒子組成，可以設(shè)計(jì)為每個(gè)模型來解釋這一現(xiàn)象 （圖 3）。根據(jù)惠更斯波理論，一小部分的每個(gè)角度的波前應(yīng)該影響第二種介質(zhì)，其余的前面到達(dá)接口之前。這一部分將開始通過第二種介質(zhì)移動(dòng)，而其余的浪潮仍然行駛，在*種介質(zhì)，但會(huì)由于較高的折射指數(shù)的第二種介質(zhì)移動(dòng)更慢。波陣面現(xiàn)在在兩個(gè)不同的速度行駛的因?yàn)樗鼘澇傻诙N介質(zhì)，從而改變傳播的角度。相比之下，粒子理論有相當(dāng)困難的時(shí)候解釋為什么光粒子應(yīng)該改變方向，當(dāng)他們從一種介質(zhì)傳遞到另一個(gè)。理論的支持者的建議一支特別部隊(duì)，定向垂直于界面的行為來改變粒子的速度，在他們進(jìn)入第二種介質(zhì)。這支部隊(duì)的確切性質(zhì)留給了投機(jī)活動(dòng)，和以往已收集沒有證據(jù)來證明的理論。

另一個(gè)*比較這兩個(gè)理論涉及到發(fā)生時(shí)從光滑、 鏡面反射的表面，例如鏡子反射光的差異。波浪理論推測(cè)一光源發(fā)出光波，向四面八方蔓延。影響一個(gè)鏡子，海浪就被反映的到達(dá)角度，而與每個(gè)波轉(zhuǎn)回來到前面來產(chǎn)生反向的圖像 （圖 4）。到達(dá)波的形狀是強(qiáng)烈地依賴于從鏡子的光源有多遠(yuǎn)。光來自關(guān)閉源仍保持球形、 高度彎曲的波前，而從一個(gè)距離光源發(fā)出的光將會(huì)傳播更多和影響是幾乎平面的波前的鏡子。

光的粒子性的理由是遠(yuǎn)強(qiáng)有關(guān)的反射現(xiàn)象，而不是折射。是否或近或遠(yuǎn)，由源，所發(fā)出的光到達(dá)的鏡子表面的蹦跳或從光滑的表面反射的粒子流。因?yàn)榱Ｗ邮欠浅Ｎ⑿。瑪?shù)量龐大參與一束傳播的光，在那里他們旅行并排彼此非常接近。對(duì)影響鏡子，粒子反彈從不同的點(diǎn)，所以他們這束光的順序顛倒反思以產(chǎn)生反向的圖像，如圖 4 所示。粒子和波的理論不足以解釋光滑表面的反射。然而，粒子理論也表明是否表面是非常粗糙的粒子反彈走在不同的角度，散射的光線。這一理論非常密切地符合我們的實(shí)驗(yàn)觀察。

粒子和波應(yīng)該也以不同的方式表現(xiàn)，當(dāng)他們遇到的一種對(duì)象和形式 （圖 5） 陰影邊緣。牛頓是很快指出了在他的 1704年書著成光學(xué)，，"光從來沒有已知的遵循歪歪扭扭的段落也不能彎曲成陰影"。這一概念是與的粒子理論，提出了光的粒子總是必須沿直線相一致。如果粒子遇到的一個(gè)障礙邊緣，然后他們會(huì)產(chǎn)生陰影，因?yàn)椴槐黄琳献柚沽Ｗ永^續(xù)在一條直線上，不能攤開在邊緣后面。在宏觀尺度上，這種觀察是正確的但它不同意從規(guī)模要小得多的光的衍射實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果。

當(dāng)光通過狹縫時(shí)，光束傳播并且變得比預(yù)期的更廣泛。這從根本上重要觀察借了大量的光的波動(dòng)理論的可信度。像在水中的波浪，光波遇到對(duì)象的邊緣出現(xiàn)彎曲周圍邊緣和入其幾何的影子，是一個(gè)區(qū)域，不由這束光直接照明。這種行為是類似于環(huán)繞結(jié)束了筏板，而不是反射掉的水浪。

近百年來后牛頓和惠更斯提出了他們的理論，命名為 Thomas 年輕英國(guó)物理學(xué)家進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究光的波狀性質(zhì)的大力支持。因?yàn)樗嘈殴庥刹ńM成，年輕的理由一些類型的交互會(huì)發(fā)生兩個(gè)光波見面時(shí)。為了測(cè)試這個(gè)假設(shè)，他用屏幕，其中包含單個(gè)、 窄縫從普通日光產(chǎn)生相干光束 （包含在階段中傳播的波）。當(dāng)太陽(yáng)的光線遇到縫隙，他們散開或衍射產(chǎn)生單一的波前。如果這條戰(zhàn)線允許照亮第二個(gè)屏幕有兩個(gè)間隔緊密狹縫，相干光，**地與每一個(gè)其他步驟中的另外兩個(gè)來源產(chǎn)生 （見圖 6）。從每一個(gè)縫隙旅行到單個(gè)點(diǎn)半路之間兩個(gè)狹縫光應(yīng)該在第步中**地到達(dá)。由此產(chǎn)生的波應(yīng)加強(qiáng)彼此產(chǎn)生多大的波。然而，如果被認(rèn)為是兩邊的中心點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)，然后從一個(gè)狹縫光必須旅行得更遠(yuǎn)以達(dá)到第二點(diǎn)的對(duì)面的中心點(diǎn)。光從狹縫更接近到這第二點(diǎn)會(huì)在光前到達(dá)從遙遠(yuǎn)的狹縫，因此兩個(gè)波會(huì)與對(duì)方，而且可能會(huì)取消彼此產(chǎn)生的黑暗。

他懷疑，年輕人發(fā)現(xiàn)當(dāng)從狹縫的第二套光波傳播 (或衍射)，他們滿足彼此和重疊。在某些情況下，重疊結(jié)合確切地中的一步的兩個(gè)波。然而，在其他情況下，光波是或輕微或完全不合拍相互結(jié)合。年輕人發(fā)現(xiàn)當(dāng)波在第步中見到，他們加在一起的一個(gè)過程，是來被稱為相長(zhǎng)干涉。滿足不合拍的波將相互抵消，一種稱為破壞性的干涉現(xiàn)象。在這兩個(gè)極端，不同程度的建設(shè)性和破壞性干擾發(fā)生產(chǎn)生波具有廣泛的振幅。年輕是能夠觀察到在屏幕上放在后面這兩個(gè)狹縫設(shè)置距離干擾的影響。衍射后, 重組由干涉的光產(chǎn)生一系列的光明和黑暗邊緣沿屏幕的長(zhǎng)度。

雖然看似重要的是，年輕的結(jié)論沒有廣泛采納時(shí)，主要是因?yàn)樵诹Ｗ永碚撝械膲旱剐缘男拍睢?/span>他觀察光的干涉，除了年輕假設(shè)不同顏色的光由波具有不同的長(zhǎng)度，一個(gè)基本的概念，今天被廣泛接受。與此相反，粒子理論倡導(dǎo)者設(shè)想各種顏色從粒子具有兩種不同的群眾或以不同的速度行駛。

干涉效應(yīng)并不局限于光。池或池塘表面上產(chǎn)生波浪會(huì)向四面八方蔓延，接受相同的行為。在哪里兩波滿足在步驟中，他們將會(huì)添加在一起，使波波更大的建設(shè)性干涉。不同步的碰撞波將取消彼此通過破壞性的干涉和產(chǎn)生水平表面在水面上。

更多的證據(jù)為光具有波狀性質(zhì)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了一束光之間交叉偏振器的行為是仔細(xì)審查了 （圖 7）。偏光濾鏡有**的分子結(jié)構(gòu)，它允許具有單一取向通過僅有的光。換句話說，偏光片可以被視為一種特殊的分子百葉簾有小行面向單一方向內(nèi)的偏光材料的板條。如果一束光允許偏光片的影響，只有光線面向平行偏振方向是能夠穿過偏光片。如果第二個(gè)偏振器位于背后的*次和面向同一方向，然后光通過*偏振器還通過將第二個(gè)。

然而，如果第二個(gè)偏振器的旋轉(zhuǎn)是以很小的角度，將會(huì)下跌的光通過量。當(dāng)?shù)诙€(gè)偏振器旋轉(zhuǎn)所以方向是垂直于基板的*次用偏光片，然后通過*偏振器的光都不會(huì)通過第二個(gè)。這種效應(yīng)很容易解釋用波理論，但沒有操縱的粒子理論可以解釋如何光阻止第二個(gè)偏振器。事實(shí)上，將是以后的影響粒子理論，也不是不可以足以解釋干涉和衍射的發(fā)現(xiàn)是同一現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。

用偏振光觀察到的影響是光組成的橫波在垂直于傳播方向的組件的概念發(fā)展的關(guān)鍵。每個(gè)橫向組件必須有一個(gè)特定的方向方向，使它要么通過或可以被阻止，以一個(gè)偏振片。只有那些具有偏振鏡與平行的橫向分量波將通過，和所有其他人將會(huì)被阻止。

19 世紀(jì)中葉，科學(xué)家們正越來越多地相信波狀特征的光，但仍那里一個(gè)霸道的問題。到底什么是光？當(dāng)它被發(fā)現(xiàn)由英國(guó)物理學(xué)家 James 克拉克 · 麥克斯韋所有形式的電磁波輻射代表一個(gè)連續(xù)的光譜，和在相同的速度在真空中傳播取得了突破： 每秒 186000 英里。麥克斯韋爾的發(fā)現(xiàn)有效地釘棺材的粒子理論，20 世紀(jì)的黎明時(shí)分，好像終于回答了光和光學(xué)理論的基本問題。

個(gè)重大的打擊，對(duì)波理論在幕后發(fā)生在 1880 年代后期，當(dāng)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)在一定條件下光能把電子從原子的幾種金屬 （圖 8）。雖然在*次只是好奇的無法解釋的現(xiàn)象，它很快被發(fā)現(xiàn)的紫外線照射可減輕中種類繁多的金屬產(chǎn)生積極的電荷的電子的原子。德國(guó)物理學(xué)家 Philipp Lenard 成為了這些意見，他被稱為光電效應(yīng)的興趣。萊納德用棱鏡來拆分成其組件的顏色，白色的光，然后有選擇性地集中到驅(qū)逐的電子金屬板上的每種顏色。

萊納德的發(fā)現(xiàn)相混淆，使他感到驚異。為一個(gè)特定波長(zhǎng)的光 （藍(lán)色，例如），電子生產(chǎn)恒電位或固定的數(shù)量的能量。減少或增加的光量產(chǎn)生相應(yīng)增加或解放，電子的數(shù)量在減少，但每個(gè)仍維持相同的能量。換句話說，逃離他們的原子化學(xué)鍵的電子有依賴于波長(zhǎng)的光，不是強(qiáng)烈的能量。這是與什么會(huì)預(yù)期從波浪理論。萊納德也發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)和能量:更短的波長(zhǎng)之間的聯(lián)系產(chǎn)生電子具有更大的能量。

光與原子之間的連接的基礎(chǔ)是在 19 世紀(jì)早期，William 海德沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的光譜不是連續(xù)的帶的光，但包含幾百個(gè)失蹤波長(zhǎng)時(shí)鑄的。500 多窄行對(duì)應(yīng)的失蹤波長(zhǎng)被映射由德國(guó)物理學(xué)家約瑟夫 · 馮 · 弗勞恩霍夫，字母分配給*大的差距。后來，人們發(fā)現(xiàn)差距由從吸收特定波長(zhǎng)的原子在太陽(yáng)的外層。這些意見是原子和光，之間的*次聯(lián)系的一些雖然產(chǎn)生的根本性影響當(dāng)時(shí)不被了解的時(shí)間。

1905 年，阿爾伯特 · 愛因斯坦假設(shè)光實(shí)際上可能會(huì)有一些粒子性，無論是類似波的性質(zhì)的壓倒性證據(jù)。在制定他的量子理論，愛因斯坦提出數(shù)學(xué)上附著在金屬中原子的電子可以吸收光 （*次被稱為量子，但后來改為一個(gè)光子） 的特定數(shù)量，并因此有逃脫的能源。他還推測(cè)，如果一個(gè)光子的能量與波長(zhǎng)成反比，然后更短的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生電子具有更高的能量，事實(shí)上承擔(dān)的萊納德的研究成果從一個(gè)假設(shè)。

愛因斯坦的理論被凝固在 1920 年代由美國(guó)物理學(xué)家 Arthur H.康普頓，證明光子具有動(dòng)量，物質(zhì)和能量是可以互換的理論支持的必要的實(shí)驗(yàn)。大約在同一時(shí)間，法國(guó)科學(xué)家 Louis 維克多 · 德布羅意提出所有的物質(zhì)和輻射有類似于一個(gè)粒子和波的屬性。德布羅意，下列馬克思 · 普朗克的鉛，推斷出有關(guān)質(zhì)量和能量，包括普朗克常數(shù)的愛因斯坦的**公式：

其中E是能量的粒子， m的質(zhì)量， c是光速， h是普朗克常數(shù)，和ν是頻率。德布羅意的工作，涉及的能量和質(zhì)量的一種粒子的波的頻率，是領(lǐng)域的發(fā)展的一個(gè)新，*終將用來解釋光的波狀和粒子的性質(zhì)的根本。量子力學(xué)誕生從研究的愛因斯坦，普朗克，德布羅意，波爾、 埃爾溫 · 薛定諤，和其他人試圖解釋如何電磁輻射可以顯示什么現(xiàn)在被稱為二元性或顆粒狀和波浪狀的行為。在時(shí)間光的行為作為一個(gè)粒子，而在其他時(shí)間像波一樣。可以采用此補(bǔ)充，或雙，角色行為的光用來描述所有的已知特征的有實(shí)驗(yàn)中觀察到，從折射、 反射、 干涉、 衍射、 到結(jié)果與偏振光和光電效應(yīng)。光的性質(zhì)相結(jié)合，一起工作，讓我們觀察宇宙的美。