光究竟是波還是粒子?

文/沙達德˙凱德 & 薩拉˙費隆(巴塞隆納大學物理學 |2020.08.25
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牛頓與粒子 圖/愛德華˙阿爾塔里巴
馬克士威與光波 圖/愛德華˙阿爾塔里巴

文/沙達德˙凱德 & 薩拉˙費隆(巴塞隆納大學物理學士)

審訂/朱慶琪

牛頓與粒子

首先我們必須回來談談光的奧祕,是波還是粒子?

回到牛頓的時代,大家對於光是由粒子還是由波組成的還在爭論不休。對牛頓來說,光是由沿著直線運動的微小粒子(他稱為光粒子)組成的。

牛頓說的光粒子沿著直線運動。

另一方面,還有很多人認為光是一種波,否則無法解釋光的繞射,也就是使光改變前進方向的現象。

光的各種現象

反 射

光線從表面反彈的現象,比如在我們照鏡子的時候。

折 射

光線從一種介質進入另一種介質時改變方向的現象。這就是為什麼當鉛筆放在裝水的玻璃杯裡,看起來像折斷了一樣。

繞 射

光線碰到障礙物或穿過狹縫時轉向的能力。

馬克士威與光波

19世紀末,詹姆斯˙克拉克˙馬克士威意識到可以用數學式來解釋光的行為,他認為光是由波所組成的。不過是什麼波呢?

答案是電場加磁場組成的電磁波。

光的移動速度快到令人難以置信:

這就是光速!

300000公里/秒

用這種速度,光只需要一秒鐘就可以繞行地球7圈半。

試著想像一光年有多長,這就是光在一個地球年中行進的距離!

馬克士威推導出4個著名的方程式,能夠描述所有的電磁現象。

馬克士威就這樣解決了過去「光是波還是粒子」的衝突,他決定支持光以波的形式表現。

問題似乎已經被解開,但是接下來的事情就有點複雜了……

本文摘自《我的第一本量子物理》 三民書局出版

粒子是什麼?

粒子是組成物質的極小單元。

打個比方,沙粒是組成海灘的粒子。稍後我們會提到,所有物質都是由非常小的粒子所組成,這些粒子稱為原子。

波是什麼?

當我們把石頭扔進湖中,湖面會產生同心圓的水波向外傳遞,這種傳遞擾動的現象就是波。而且波只會傳遞能量,不會傳遞物質,就像水面會上下起伏,但水並沒有隨著水波往外移動一樣。

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