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光是什么?

 

光是什么?

Barry R. Masters

很简单:要有光!却又很复杂。那么到底,光是什么?


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“Y“上帝说,‘要有光’,于是世界便有了光。”

创世纪 1:3

 

“在我的余生里,我将致力于回答光是什么。”

 阿尔伯特·爱因斯坦 1917 

 

“五十年的反复思考并没有让我更接近这一问题的答案:什么是光量子?当然, 如今每个无知的人都会认为他知道答案,可那只是在欺骗自己罢了。”

 

阿尔伯特·爱因斯坦 1951

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北极光。作者:Kshitijr96 (个人作品)[CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] 来自维基百科。

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眼睛是一种光子探测器. 作者:Woodwalker (个人作品) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], 来自维基百科.

光是生命的先决条件,因为它是我们食物的最终能量来源。光对于宗教、故事创作、诗歌、文学、语言及文化是不可或缺的。光是大自然中的美,如日出日落、彩虹、北极光 和南极光。光是视觉的必要条件;事实上光与视觉的理论可追溯到希腊及阿拉伯哲学家 从那时起便开始了一段盘根错节的历史。人类的视觉需要光例如玻璃眼镜、隐形眼镜的光 学设备,而激光屈光手术可提高视力。光可以诊断并且治疗眼疾。光之所以可以被探测是 源于光与原子或分子中的电子的相互作用,我们视网膜中的感光细胞以及照相机中的半导体探测器组件就是运用了这一原理。

颜色丰富了我们的自然环境,激励和鼓舞着地球上的人们,并给我们的家园、城市及生命中增添了美感。日光,月光以及星光给地球上的人类带来了美丽和奇迹。光是我们现代世界的基础;它的产生、操控、传输以及探测对于我们的通信、制造、医疗器械公共艺术、灯光表演、生物技术仪器、教育项目及先进科技的实验室设备都是不可或缺的。光是宇宙的创造过程、恒星的光物理过程以及整个宇宙的自然物理定律的信息来源。通过光谱仪工具,光促成了我们对于原子及分子结构的理论认知和实验认知。光及其与物质的相互作用促成了量子力学的创立和发展。光占据了诗人、哲学家(从公元前五世纪)、艺术家、科学家及工程师的心灵。如今,光把不同的民族、文化和国家连成了一个人类的大家庭。光吸引、鼓舞并连结着我们。孩子们惊讶于太阳光是如何被放大镜聚焦来点火。大人们则震惊于他们通过天文望远镜或是显微镜时所看到的宏观及微观的世界。 

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左:1865年罗斯(Rosse)伯爵用比尔城堡(Birr Castle)望远镜(1.8米反射式望远镜)观察到的涡 状(Whirlpool)星系的轮廓。2005年美国国家航空航天局/欧洲航天局(NASA/ESA)完成的由基 特峰(Kitt)国家天文台的0.9米望远镜观测到的基于地面的图像和由哈勃空间望远镜观测到的基于 太空的图像合成的数字合成图像(中),以及红外星尘中的星系(右)。

历史上,光可以被理解为一种波,一种量子或是量子场。很复杂?是的!的确,“光是什么”的问题经常被转换为“光如何表现”的问题。更具体地说,“光是什么”经常被“光是如何传播并与物质发生相互作用”所代替。本文我将叙述波粒二象性及20世纪初的光与物质作用理论中一些关键概念的来源。我将讨论阿尔伯特·爱因斯坦对于我们理解光及其与物质相互作用的本质所做出的基础性贡献。爱因斯坦的相对论以及实验验证使他获得了世界性的声誉。然而,他对光学的贡献改变了我们对光的理解,提高了我们在广泛领域操纵应用它的能力,这些领域包括医学、远程通信、光电子、以及玻色-爱因斯坦冷凝物的基础物理实验研究。他在受激辐射的工作促成了一种正在改变我们世界的设备——激光的发明。爱因斯坦在光学上的著作同时影响了刘易斯·德布罗意和艾尔文·薛定谔并促成了“波动力学”的创立。爱因斯坦在空间辐射传播与辐射-物质相互作用间建立起了桥梁。在1905至1916年间,爱因斯坦解释了光与物质通过吸收和辐射光量子来进行相互作用的原理,也因此解释了一些物理现象:斯多克斯(Stokes)的荧光原理,紫外光的气体离子化,以及光电效应。在光电效应中,具有阈值频率的光入射在金属表面可使电子从金属表面逸出。这一原理被运用在光探测器上,例如光电倍增管。爱因斯坦对受激辐射的假设是激光手术的基础。

光与物质作用的早期实验

研究在爱因斯坦光与物质作用的工作之前的研究工作是既有趣又有指导意义的。在1887年,赫兹产生、探测并阐明了电磁波传播的特点,并观察到照射在他的火花隙共振器上的紫外光增强了共振器产生火花的能力。他的助手,威尔赫姆·郝瓦克,在1888年证实并扩展了这一观察现象,当时他阐述紫外辐射使中性金属获得了正电荷。在1899年,约瑟夫·J·托马斯研究了克鲁克斯放电管内部的一个金属板在紫外辐射下产生电子的效应。托马斯测量了金属片的电流,其电流随着辐射光的频率和强度的增加而增大。他首次在公开发表的文章中阐述由紫外光诱发的光效应导致了电子的发射。在1902年,工作于德国基尔大学的飞利浦·勒那,阐述了由碳弧灯发射的短波长光入射到金属表面引起电子辐射。发射出的电子数量,而非其动能,随着光强的增强而增加,并且对于某一特定辐射频率以下的光入射则无电子射出。勒那同样观察到发射出的电子的最大动能与入射辐射的光强度无关,但随着入射光的频率增加而增强;他分别测量了在铝盘上照射三种不同频率的紫外光所产生电子的效应。

爱因斯坦的光量子

光的产生与传播》,其中他由波尔兹曼的统计热动力学导出,韦恩分布定律所描述的辐射熵与由基本粒子或能量子所组成的气体熵有相同的形式,其中每个量子正比于与其对应的波的频率。爱因斯坦写道:“低密度的单色辐射(在韦恩黑体辐射方程有效范围之内[对于生效]),从热力学角度来看,表征为它包含了相互独立的辐射量子,强度为,”符号h表示普朗克常数,k表示波尔兹曼常数,T表示开尔文温度,表示光的频率。更深入地阐释是:“当一束光从一点光源发出,其能量不是在一个增加的体积内连续的分布,而是包含着有限数量的能量子,它们分布于空间的不同点上,进行着不分解的运动,并且只能以整个单位的形式被吸收或产生。”爱因斯坦也选择性使用了能量子与光量子等词。这一辐射传播的非连续性能量的概念与麦克斯韦的连续性的电磁波辐射理论相悖。十年后,在1916年,爱因斯坦在他的论文《量子理论中辐射的发射与吸收》中讨论了光量子的动量以及它的零静质量。

光子

美国物理化学家基尔博特·N·刘易斯在一篇于1926年发表在自然杂志上的文章中创立了“光子”这一名词。“如果我们假设它只用一小部分存在时间作为辐射能量的载体,而其他时间则保持为原子中的一种重要结构元素,那么使用例如光的一个粒子、一个光的小体、一个光量子或光的量子这些假设的名词是不合适的……我因此斗胆提议,将这个不是光却在辐射的每个传播过程中都扮演了关键角色的假想的新粒子,命名为光子。”在刘易斯于1926年提出“光子”这一词汇后,很多物理学家采用其作为爱因斯坦的光量子的名称。但是,刘易斯对于光子的概念完全不同于爱因斯坦。赫尔奇·克劳发现,光子这一名词在1926年前至少被四位科学家提出。刘易斯的光子只剩下其名字为后人所用。更多的历史见解被发表在兰博于1995年发表的论文《反光子》中。

爱因斯坦的光量子假设解释了光电效应

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1921年的阿尔伯特·爱因斯坦,摄影:F Schmutzer[公开],来自维基共享资源.

爱因斯坦将其光量子的概念用来解释光电效应,这一效应用麦克斯韦的波动理论无法解释。爱因斯坦写道:“如果单色光辐射表现得……好像辐射是一种包含强度为的能量子的非连续性媒介,那么探索光的发射定律及传输定律同样应建立在光是由这些能量量子所构成的假设上。”爱因斯坦假设光在与物质发生相互作用时发射或吸收他假设的光量子,他又假设了另外一种新的机制来解释这令人费解的现象。爱因斯坦对于他的光电效应理论描述如下。光量子穿透物质表层,他们的能量被转换为电子的动能;单个光量子将其全部能量传给单个电子。他写道:“处于内部的电子在其到达表面前将失去其部分动能。”此外,他还假设电子在金属表面必须做功Φ(针对每种材料的方程,称作做功方程),以此克服使其束缚在材料内部的吸引力从而离开表面;这样的电子的最大动能为。用现代的表示方法为,其中e为电子电荷,V是遏止电势用来遏止最快的光电子溢出。这是量子理论中对于光与物质相互作用中的第一个方程。爱因斯坦的光电效应假设在1912年被证实,当时亚瑟·L·休斯测量了不同金属射出的光电子的最大速度并证实了爱因斯坦的光电方程。

第一次对于量子假设的证实发生在在物理学中的某一领域而非辐射学,1907年爱因斯坦解释了能量量子化可以被应用到凝聚态物质。爱因斯坦通过将固体模拟成量子化的振子阵列,解释了固体比热容的异常的温度依赖关系(他们随着温度的降低而减小)。爱因斯坦的方程与1910年由瓦尔特·赫尔曼·能斯特及其助手弗雷德里克・A・林德曼完成的实验结果相一致。

爱因斯坦于1922年获得的诺贝尔物理学奖引述了他在1905年关于光电效应的论文:“诺贝尔奖授予他以表彰他对于理论物理的贡献,尤其是他发现了光电效应的原理。”在爱因斯坦提出光电效应理论的时候,许多世界著名的物理学家如马克思·普朗克、亨德里克·洛仑兹、马克思·劳厄、韦恩以及阿诺德·索末菲都无法接受他的光量子理论,他们援引与波动现象一致光的干涉现象。普朗克和洛仑兹都接受辐射是以一种量子化过程与物质相互作用,但却拒绝接受单个光量子以波的形式传播的概念。一个很著名的例外是约翰尼斯·斯塔克,他在1909年提出X射线的局部能量量子化,他也支持爱因斯坦的光量子假设。爱因斯坦自己也意识到他的假设需要实验上的证实或是反驳,于是在1911年索尔维会议上他阐述道:“我坚持‘光量子’这一临时的角色。”在1921年,莫里斯·徳·布罗意在布鲁塞尔举行的第三届索尔维会议上报告了他关于X射线对物质的影响以及后续的电子发射可以通过假设X射线具有能量加以解释的分析结果。他的兄弟,刘易斯·徳·布罗意,读到爱因斯坦关于光的论文并沿着爱因斯坦光量子的理论推导出他的“物质波”理论。埃尔文·薛定谔在刘易斯·徳·布罗意的基础上推导出他的“波动力学”。

对爱因斯坦光量子论的质疑与实验验证

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玻色-爱因斯坦凝聚物。气态铷原子的速度分布数据(三种观察),证实了一种新物态的发现,玻 色-爱因斯坦凝聚态。左:玻色-爱因斯坦凝聚态出现之前的外貌。中:凝聚态出现之后不久的外 貌。右:进一步蒸发后,留下一个几近纯净的凝聚态。由NIST/JILA/CU-Boulder提供 (NIST 开],来自维基共享资源

在1916年,罗伯特·A·密立根在实验上以很高的精确度验证了爱因斯坦的光电理论,扩展了勒那之前的实验。密立根的实验表明了发射电子的最大动能正比于光的频率。他画出的光发射的截止电压相对于入射频率的图匹配了爱因斯坦预测的线性关系,并且对于不同金属,其h值与普朗克在其1901年发表的论文中计算的值相同。密立根的实验同样表明光电子数与辐射强度成正比。但是,他反驳了爱因斯坦的光量子假设。

直到1923年之后物理学界才接受了爱因斯坦的光量子假设,当时康普顿与徳拜分别独立发表了他们关于X射线电子散射的论文,都是基于爱因斯坦的光量子假设。康普顿研究了X射线及γ射线在轻元素上的散射。他1923年的理论展示出散射量子的能量比入射量子的能量低,并且差值便是散射弹回的电子增加的动能。康普顿导出了一个公式,将散射波束增加的波长与入射散射束之间的角度θ联系起来。一个频率为的X射线量子被一个质量为m的电子散射。假设散射电子初始状态静止;在与辐射量子碰撞后,电子弹开。他于是假设散射过程中能量、动量守恒,并推导出X射线波长变化的散射方程:

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康普顿通过一系列精确的测量证明他的理论并写道:“关于散射的理论与实验值完美的一致更加令人惊喜……甚至不需要一个可调的常数来连接两套数值。”他发现波长的增加与波长无关。康普顿于是总结道:“X射线散射是一个量子过程。”更深入地说:“……理论很有说服力地表明辐射量子直接携带着动量及能量。”

爱因斯坦的光的波粒二象性理论

光的波粒二象性理论的起源来自于爱因斯坦1909年关于能量扰动里程碑式的论文《关于辐射问题的现状》。爱因斯坦在他关于布朗运动的分析(1905)中计算了能量及动量的扰动,并且他将这些分析方法应用到黑体辐射中。他将他1905年的扰动理论从机械系统(布朗运动)推广到非机械黑体辐射中。爱因斯坦研究了在一个体积为V温度为T的绝热腔内黑体辐射的能量扰动。根据普朗克的黑体辐射定律,他写出了能量扰动的变化为其中表示统计平均,E是频率介于与之前的辐射能量,c是真空光速。这一等式被称为爱因斯坦关于黑体辐射的波动方程。他从统计机械分析得出等号右边第一项指代了辐射的量子特性。这一项与平均能量成线性关系,可以在韦恩定律生效时的高频限制下找到。爱因斯坦总结道,辐射尤其是其能量扰动是与独立的气态粒子相一致的,例如每一份能量都为的光量子。他从维度分析中得出第二项是平均能量的二次方,它来自于波的干涉。这一项从低频辐射中获得。爱因斯坦认为腔内辐射由许多幅值、相位、偏振态的模式组成并且朝着许多方向传播。他假设腔内任意部分体积中的扰动都可以由不同平面波之间的干涉获得。在1909年,爱因斯坦写道:“……下一阶段的理论物理将把我们带领到这样一个理论,光可以被理解为一种波的聚合及发射理论……”

爱因斯坦的受激辐射理论

爱因斯坦构思光量子理论九年后,他重回到光与物质相互作用的问题中来,尤其是在这些过程中原子的能态与光量子之间的转化。在1916年,他在他的奠基性论文《量子理论中辐射的发射和吸收》中假设了受激辐射。这篇论文以其将概率方法引入量子物理而著称。它包含了他所谓的“A和B系数”,并且他预测了受激辐射及自发辐射的过程。当时,原子之间以吸收及发射光量子作为媒介传递能量的概念还没有被物理学界广泛接受。玻尔的氢原子模型并没有使用光子的想法;事实上,玻尔直到上世纪20年代早期才接受这一概念。注意即使是被认为是于1900年创立量子理论的马克思普朗克,也直到1913年当玻尔将氢原子能级量子化之后才接受了量子化的现实。

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第一台红宝石激光器被拆解

爱因斯坦推理道,辐射场可以导致原子中能量的损失与获得。他假设了原子的二能态过程,上能态与下能态,两能态间由吸收与发射光子传递的能量等于两能态的能量差。若某原子吸收了一个光子,则其电子能将增加光子能量的大小并处于受激能态。处于受激能态的原子可以自发地发射一个光子从而存在于较低能态或基态,发射的光子能量等于激发态与基态的能量差。在没有入射辐射的时候,在激发态的原子会发生自发辐射。在受激辐射过程中,处于激发态的原子与某一电磁场相互作用,导致由受激能态到较低能态的电子跃迁,两能态间的能量差转移到电磁场中。这一过程中产生的光子与入射光子在频率、相位、偏振态和传播方向上都是一致的。

爱因斯坦假设了一个处于热平衡的原子集合。他假设了一个具有上下两个能级并且在两能级间通过吸收和发射与能级差相等的光子完成跃迁的过程。处于上能级和下能级的原子数不变。在热平衡的条件下,每个单位时间内吸收辐射和发射辐射的原子数相等。

爱因斯坦随后区别了两种跃迁。第一种是在没有外部影响下发生的辐射。他类比了卢瑟福的放射性衰变定律。在现代术语中,这便是自发辐射过程,发生在没有外界辐射存在的条件下,并且通过“爱因斯坦的A系数”表征。产生的光子可以朝任意方向传播。第二种类型的跃迁是由于原子与入射辐射的相互作用。爱因斯坦假设入射辐射的效果正比与辐射密度并导致了能态跃迁。爱因斯坦假设了微观可逆性原理,它阐述了在每次能量传递过程中下能级传递到上能级的能量速率必须等于上能级传递到下能级的能量速率,这一原理可以应用到处于平衡的辐射中。爱因斯坦要求受激辐射过程的发生需满足处于热平衡的原子能级,由玻尔兹曼分布表示的辐射场,并满足普朗克辐射定律。若受激辐射的爱因斯坦系数为零,则将不会有处于热平衡的玻尔兹曼分布。在热平衡状态下,获得能量的原子数必须等于失去能量的原子数。他推导出受激吸收及受激辐射的概率是相等的。爱因斯坦系数与辐射密度无关。

爱因斯坦之前就曾推测过如果发展出新的符合量子假设的电动力学(新的量子力学),则系数A和B是可以被计算出来的。这一预言在1927年被实现,当时狄拉克用他的量子力学在一篇论文中推导出爱因斯坦B系数并在第二篇论文中推导出爱因斯坦A系数(自发辐射)。

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在一个光子晶体光纤中产生的超连续体。J Dudley惠赠,2015国际光年管理委员会主席.

爱因斯坦的受激辐射概念的实验验证来自其理论预测的数十年后。贝尔托洛蒂在他的文章《为什么激光这么晚才被发明》中解释了这一长时间的延迟。参见ICO Newsletter, January 2010, Number 82。在1954年,戈登、齐格尔和汤斯发明了微波激射器(运用受激辐射的微波放大器),它工作在微波波段。在1960年,梅曼利用红宝石晶体作为组件产生受激辐射,制作了第一台激光器。1964年的诺贝尔物理学奖被授予查尔斯·哈德·汤斯、尼古拉·根纳季耶维奇·巴索夫以及亚历山大·米哈伊络维奇·普罗霍罗夫,以表彰他们在激光方面做出的独立的贡献。

所以问题仍然是:光是什么?爱因斯坦构想出光子是具有频率,波失k,能量,动量的电磁场态。他是一种具有零静止质量的粒子,它具有旋转质量,并且具有两种偏振态。在1924年爱因斯坦写道:“康普顿实验的阳性结果证明了辐射行为就好像其包含了离散的能量抛射体,不仅有关能量传输同时有关于动量传输。”于是这些年后我们回到了这样的阐述:“辐射……表现出……好像它包含……。”这样的陈述强调的不是光是什么,而是光是如何表现的。尽管我们还没有回答最初的问题,但我们对于光的理解的增进却把美好带给我们的生命,把改变带给我们的世界。感谢光。

Barry R Masters, Independent Scholar, Cambridge, MA, USA

 

参考文献

 


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巴力·R·马斯特斯教授在魏兹曼科学院获得博士学位,佛罗里达州立大学获得研究生学位,布鲁克林理工学院获得学士学位。马斯特斯教授是麻省理工学院生物工程学院的访问科学家,哈佛大学科学历史部的访问学者,伯尔尼大学眼科学部的访问教授,健康科学统一服务大学解剖学与细胞生物学教授。他是美国先进科学联合会、美国光学学会、国际光学及光电子协会会士。从1999年到2000年,马斯特斯教授是美国先进科学联合会国会科学与工程会士,并在美国国会作为立法助理。他与Böhnke教授在1999年因他们的工作“角膜共聚焦显微术”而获得为眼科研究设立的沃格特奖(眼科研究领域最高的瑞士奖)。马斯特斯教授已发表了86篇研究论文、143个书的章节及会议文章。他是10本书的编辑或作者:《非侵害性眼科诊断技术》、《共聚焦显微术及多光子激发显微术》、《活细胞成像的起源》、《生物医学非线性光学显微术手册》(与Peter So合著)。他目前在编写一本新书《超分辨光学显微术:对增强分辨率及对比度的诉求》,该书将由剑桥出版社出版。他就负责任的研究行为、生物医学伦理、批判性思考以及生物医学光子学开展了世界范围的演讲。

 

译者:

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匡翠方,浙江大学光电信息工程学系副教授,2007年获得北京交通大学理学博士学位。2006.1~2006.7,在美国密歇根大学机械工程系访问交流。2007.6~2008.2在北京理工大学光电学院做博士后研究。2008.3~2010.3在美国南卡大学机械工程系做博士后研究。2010.3-至今,浙江大学光电系教师,主要从事超分辨光学显微成像以及有关光电检测的交叉研究。他现为美国光学协会(OSA)会员和SPIE会员,发表相关研究论文90多篇。目前他在美国麻省理工学院机械工程系交流访问。

 

Prof. Angela M. Guzman

International Commission for Optics

Bureau members (2014-2017):

President: Y. Arakawa;
Past-President: D. T. Moore;
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Secretary: A M Guzmán, CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, PO Box 162700, 4000 Central Florida Blvd,Orlando, FL 32816-2700, USA; e-mail angela.guzman@creol.ucf.edu
Associate Secretary: G von Bally;
Vice-Presidents, elected: J. Harvey, F. Höller, H. Michinel, J. Niemela, R. Ramponi, S-H Park, J. Zakrzewski, M. Zghal
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Editor in chief:

A. M. Guzmán

Editorial committee:

K Baldwin, Australian National University, Australia;
J Dudley, Université de Franche-Comté, France;
William T Rhodes, Florida Atlantic University, USA.