量子力学认为光既可以表现出粒子的特性,又可以表现出波的特性。现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员通过一个大胆的单原子实验表明,虽然光可以表现出波和粒子的特性,但是光不能同时表现出粒子和波的特性。
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这是一个简化版的MIT实验示意图,两个原子由一束激光固定住,充当可以散射光子的双缝结构,从而产生一个干涉图像(红色线条部分)。
光的本质是一个饱受争议的话题。这场辩论自17世纪(艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯的时代)开始。以牛顿为代表的“粒子派”认为光是粒子,这样方可以解释镜子中的反射为什么清晰,以及为什么不能隔着拐角看到另一侧的情况;以惠更斯为首的“波派“则认为光是波,这样才能解释光的折射和衍射现象。
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1801年,物理学家托马斯·杨设计了出名的双缝干涉实验。实验中,他将一束光射向了两个距离很近的缝隙。如果光是粒子,那么干涉图像应该是两条明亮的直线;如果光是波,那么根据波的衍射,产生的干涉图像应该是明暗相间的条纹。托马斯·杨发现,光在经过两个窄缝后会产生明暗相间的条纹,并由此证明了光是波,而非粒子。
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双缝干涉实验的示意图,可以看到衍射图象是亮暗相间的条纹。
一个世纪后,马克斯·普朗克证明了热量和光有一个基本单位,即“量子”,随后,阿尔伯特·爱因斯坦证明了光的基本单位叫做“光子”。此外,后续发展的量子力学证明了光子(一个粒子)也能表现出波的特性。所以,牛顿和惠更斯其实都是正确的:光既是一个波也是一