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|你见过波动着的粒子吗？


|你见过波动着的粒子吗？
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本次内容来自系列视频课程
“一说万物：现代物理学百年漫谈”
第二讲：现代物理学之光
2.3 你见过波动着的粒子吗？
光是粒子还是波动的争论 ， 到了19世纪末看似已经尘埃落定：光是波动 。 20世纪初又给这个论断再加上一个字——“吗” 。 光是波动吗？
1900年 ， 普朗克深入研究了著名的黑体辐射问题 。 黑体辐射就像包大人的脸 ， 虽然非常黑 ， 不反射光 ， 所以你看不见 ， 但是你可以用非接触式温度计去测量他的体温 ， 因为黑体会辐射 。 怎么去计算黑体的辐射呢？如果用经典电磁学去计算 ， 就会发现包大人的脸熠熠发光 ， 可以发紫光 ， 还有紫外线 ， 波长越短的光 ， 包大人的脸焕发的越多 。 但是我们没有看见 ， 也就是说这个计算是有问题的 。 经典的计算是不可信的 ， 怎么办呢？
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普朗克想了一个办法 。 首先他猜了一个公式 ， 刚好和实验是可以吻合的 。 普朗克就去想：黑体辐射公式的物理意义是什么呢？最后 ， 他想出了一个物理解释：频率更高的光更难发出 。 怎么让频率更高的光更难发呢？频率更高的光更懒 ， 块头更大 ， 发一次频率更高的光要付出的能量更多 ， 频率更高的光就更难发了 。
怎么让频率更高的光块头更大呢？这就涉及了块头的概念 ， 什么叫块头？粒子有块头好理解 ， 粒子可以大一点 ， 可以小一点 。 但你听说过波有块头吗？所以说从这儿开始 ， 光就开始可以被我们想象成为一种粒子了 。 普朗克所说的光的块头更大是什么？能量发出光的能量等于一个常数（后来大家为了纪念普朗克而称作普朗克常数）乘以光的频率 。 能量与光的频率成正比 ， 频率越高的光 ， 越紫外的光越难发 ， 这样的话就可以解释黑体辐射 。
这个事情看起来很奇怪 ， 之前说光是波动 ， 波动哪来的块头 ， 普朗克的意思是当波动的振幅越来越小 ， 最后光就变成一粒一粒的 ， 至少发光的过程就变成一次一次、一粒一粒的了 。 我们举一个不是特别恰当的类比 ， 老师要保护嗓子 ， 有一招叫“发气泡音” ， 你开始声音大一点 ， 然后声音一点点减小 ， 这个时候声音就有点一粒一粒的感觉了 。 光也是这样 ， 只不过光的一粒一粒的粒可比气泡音这个粒要小多了 。
爱因斯坦在1905年解释了光电效应 ， 也是利用光子的能量正比于频率 。 提到光电效应 ， 其实我们根本不用去做实验 ， 在现在我们的生活当中就能发现 ， 只要我们把日常生活中遇到的现象多想一想 。 我们防止被太阳光晒伤而经常在皮肤上涂防晒霜 。 防晒霜是怎么防止我们被太阳光晒伤的呢？是不是说防晒霜把太阳光给吸收了 ， 没有晒到皮肤上？那为什么你的脸没有变得像包大人一样 ， 为什么没有把所有的光都吸收了？你可能又说不是吸收 ， 是太阳光过来以后 ， 防晒霜把太阳光都反射回去了 。 那涂了防晒霜之后 ， 你的脸为什么没像氪合金狗眼一样熠熠发光？我们知道太阳光是由很多不同波长的光组成的 ， 包括紫外部分、可见光部分和红外部分 。 我们并不怕可见光 ， 防晒霜给你挡的其实不是可见光 ， 而是强度相对小一些的紫外光 。 为什么要挡紫外光？光的量子化 ， 就是紫外光每一个光子的能量大 ， 每一个光子的能量大的话 ， 它打到你的皮肤上 ， 打到你的细胞里边 ， 就会对细胞造成伤害 ， 比如说损害DNA等等 。 我们真正怕的是紫外光 ， 原因就在光电效应 。
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光子说是不是挺有道理？但之前我们讲了那么多波动说 ， 也是有道理的 。 波动说近代是从双缝干涉实验开始的 ， 怎么用光子来解释双缝干涉实验？有一个非常绝妙的办法 ， 就是低亮度双缝干涉实验 。 亮度低到在光子说里 ， 每一次通过双缝的只有一个光子 ， 这样低亮度的双缝干涉实验 ， 我们会得到什么样的结果？


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