2024年7月31日 星期三

光波光子的波粒二象性,色即是空,空即是色

 看完底下影片之後,

https://www.youtube.com/watch?v=wLizHf8VqSk

突然覺得自己好像懂得了一些,又好像不懂了一些。

到底哪些是懂的,哪些是不懂的,一時間也說不上來。

只是,當下的心情是有點激動的,因為這些大學時候讀得迷迷糊糊的內容,竟然還有機會在這個時候好像有點看懂的感覺,第一時間就想說要記錄下來,讓之後可以再回味,雖然是不知道什麼時候會用到,但會用到的時候,就會慶幸自己有整理。

首先,整理一下,我想要紀錄的是量子力學,只會介紹關鍵的實驗,但是實驗用的儀器跟原理太過專業,超出個人能力,所以不會在這裡進行深澳的討論,只單純記錄個人感想,不需要多餘的文字,希望文章是簡潔有力。

在牛頓整理出三個運動定律之後,能夠完整的解釋各個物體的運動行為,並且導入了力的概念,被尊稱為力學的始祖,這裡講的力學,是我們生活上看得到的物體,為什麼要強調這一點,因為,這個影片要講的是不同於現實生活,那是一個我們看不到只能靠想像的微觀世界,而牛頓整理出來的是生活巨觀的力學,被稱為古典力學。

這裡不是要討論古典力學裡面有什麼,而是要來瞭解相對古典力學的量子力學,而光是量子力學的大門,正是因為研究光的實驗推導出量子,仔細想想光對人類的生活是非常重要的存在,但整理完相關實驗之後,也發現光是糊弄人類的最大元兇,所以我相信不用光來看這個世界的人,不會被這個世界所欺騙,也就能激發出不同的能力。

牛頓認為光應該是一種粒子,想想也對,光線是筆直的前進,遇到鏡子反射,就像球撞到牆壁反彈,為了要證明,一位名為湯瑪斯楊的天才醫生科學家,在1801~1807期間,構思了很多實驗來驗證,最出名的實驗開啟了量子力學的大門。

這個實驗的構想很簡單,一個光源,經過兩個縫,投射到一個黑幕

如果光是粒子,一顆一顆的光粒子隨機穿過縫隙之後,應該就會形成兩條相對縫隙的光線

但,結果不如預期,詭異的是出現亮暗相間的條紋,這是波的行為,我們以水波來說明,水波前進的時候,高的地方是波峰,低的地方是波谷,
這個實驗被稱為楊氏雙狹縫實驗
即使有了這個可重現的實驗結果,大部分的科學家還是支持牛頓,不相信光是波,
之後,一位科學家帕松(Poisson)出了一個考題,如果假設光真的是具有波動性,
當光源是一個點,從這個點光源發出的光被一個圓形不透明的物體遮擋後,
圓形物體邊緣的光就會有繞射現象,也就是,光會從邊緣擴散,
那麼,每個從邊緣擴散的光到達圓形物體的陰影中心,的距離相同,
應該就會發生建設性干涉(疊加,不是抵消),在影子最暗的地方應該有一個亮點

於是,菲涅耳(Fresnel)阿拉苟(Arago)這兩位學者,真的把這個實驗做了出來,
因為這個實驗是帕松提出來的,所以這個亮點被稱為帕松亮點(Poisson spot)

至此,大部分的科學家都相信光是波了吧,後續馬克士威跟赫茲證明了光是一種電磁波,
以這個觀念為前提下,進行光電效應實驗的時候,出現了讓人困惑的結果,
一位德國物理學家用光去打金屬板的時候,產生的電流跟波的行為不吻合,
如果光是波,照得越久累積越多的波能量,應該可以打出電子,產生電流,

但是,實際上是沒有,要超過某種頻率的光才能打出電子,
而且沒有照越多能量越強,有一個上限,這用波的理論解釋不通。

這個時候,年輕的愛因斯坦跳出來,提出一個理論,那就是光是一種粒子,叫光量子,
光量子的能量跟光源多亮無關,不是越亮就是能量越強,是跟頻率有關,
要超過某個頻率的光才能撞出電子,而且光的能量不是連續的,是階段式的,
所以一個光子只能撞出一個電子,能量的轉移有上限,
這個理論解釋了光電效應,卻推翻電磁波學說,但電磁波也能透過實驗證明,
那麼,到底光是粒子還是波,又有人設計了一個實驗想來證明,結果卻又更加詭異。

其實,想法很簡單,既然你說光是粒子,那麼,一次發射一個光粒子經過雙狹縫,
看看顯示出來的結果就可以判斷光的行為

1909,英國物理學家Geoffery Taylor不斷的降低光強度,確認一次射出一個光子,
如果光真的是粒子,那只能二選一,通過狹縫A或狹縫B,但,

結果竟然還是出現了干涉,只有一顆粒子,那是要跟誰干涉啊

本來以為射出去的是光子,但出現的是干涉現象,所以是波嗎?
還是說,光子分裂成兩個,為了要搞清楚,我們就裝個鏡頭來看看吧,
看看光是怎麼經過狹縫的。

1965,費曼Feynman提出一個想法,即使光有粒子或波兩種特性,不會被同時觀測到,
等到儀器先進到可以做出這個實驗的時候,實驗結果意料之外。

不開攝影機,就跟前面一樣,結果是干涉現象,但是,攝影機一打開,
是粒子現象,就是在螢幕上出現通過兩條狹縫的光紋

雖然終於可以證明光是粒子,但是,完全沒辦法解釋這個現象,
我們先來試著描述這個實驗結果。

講到這裡,在我長年眾多的疑問之中,有兩個冒了出來,這個世界是假的嗎?所有事情都已經是注定的嗎?雖然這兩個問題討論到最後會是同一個,但我很享受討論的過程,所以還是會分開討論。

在了解到所見非所得之後,我們回頭看看自己的大腦是怎麼看待這個世界,雖西醫將人腦分成左右兩邊,但,聽完上述的實驗之後,是不是覺得這也是一種被表面所迷惑的解讀,無法再繼續往下研究,其實,我們回到最前面的實驗,其中一個是集結冥想者來觀測光的實驗,而結果也實際影響了光的行為,想想,我們在冥想的時候會分左右腦嗎?不管是哪個宗教或者修行,都沒有左右腦的分別,反而是要把自己的思想從外界收斂到內心,而後再從內心與大世界連結。






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