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第19章 万物密码（第2页）

我们知道世界上的物质由原子构成，除原子外，光也是常见的存在。

光到底是什么，成了众多科学家思考的问题。

1675年，现代科学之父艾萨克·牛顿在光的色散实验中发现了光的偏振现象，即一束光通过介质时震动方向会改变，该特性在通信领域有应用。

基于此，牛顿认为光是一种微粒流，从光源飞出后在均匀介质中做匀速直线运动，这就是着名的微粒说。

荷兰物理学家惠更斯却对牛顿的微粒说不屑一顾，他认为微粒说无法解释光的干涉、衍射及折射等问题。

于是惠更斯展开对光本质的研究，1690年，他在《光论》一书中明确指出光是一种机械波，成功解释了微粒说难以解释的现象，波动说由此诞生。

此后，科学界形成了以牛顿为首的微粒派和以惠更斯为代表的波动派，两大学派就光到底是微粒还是波争论了百年，却一直没有定论。

而接下来的实验，让这场持续百年的争论出现了新的变化。

时间来到1807年，英国物理学家托马斯·杨设计了一个旨在证明光到底是波还是粒子的实验。

他把一支蜡烛放在开有一个小孔的纸前，形成点光源，在这张纸后面再放一张开有两道平行狭缝的纸，让光从小孔射出穿过狭缝投到屏幕上。

按照理论，如果光是粒子，射向屏幕的光子会直接通过狭缝，在屏幕上留下两条垂直光斑；要是光是波，受狭缝影响，光会形成新波源，新波源相互震荡交汇，波峰与波峰叠加、波峰与波谷抵消，最终屏幕上会出现斑马线状的干涉条纹。

托马斯·杨通过实验证明了光是波。

然而，一百年后，英国物理学家泰勒爵士再次进行杨氏双缝干涉实验时，出现了诡异的情况。

泰勒降低了实验光源强度，每次仅释放一个光子，任何时刻双狭缝最多只能通过一个光子，实验进展缓慢。

但一段时间后，探测板上依然出现了波状的干涉条纹，这表明光子能自己与自己发生干涉，即一个光子有可能同时穿过两条缝。

为弄清楚原因，科学家们想在双缝板与探测板之间加观测仪器，观察光子到底从哪条缝通过。

结果令人震惊：开启观测装置时，光表现出粒子性质，观测板上显现两条竖直线；关闭观测装置，光又展现出波动特性，干涉条纹再次清晰可见，也就是说光的性质取决于观测装置是否开启。

科学家们还改变了开启观测仪器的步骤，在光子释放后再随机决定是否开启观测仪器，多次尝试后，光依然有时表现出波状，有时表现出粒子状。

这种波状和粒子状都存在的现象被称为波粒二象性。

截至目前，光到底是什么仍没有准确答案，直到一位重要人物出现，人们才开始重新定义光。

1905年，26岁的爱因斯坦有三项重大发现：狭义相对论、布朗运动和光电效应。

他认为光至关重要且光速恒定，提出质能方程E=mc2，表明光、能量和质量可相互转换，还提出光速不变原理。

同时，他发现了光电效应，并因此在1921年获诺贝尔物理学奖。

光电效应指在光照射下，某些物质内部电子被光子激发形成电流的现象。

其发生机制受光线频率影响，特定频率以上的光照射金属能打出电子，低于该频率的光无论照射多久都不行。

按照经典物理学牛顿定律，能量应是连续的，但光电效应并非如此。

爱因斯坦解释说光具有粒子性，是以光速运动的粒子流，光的本质不连续，光子能量取决于光线频率，频率越高，光子能量越大，传递给电子的能量也越大；若光子能量无法满足电子逃离金属的最低要求，电子就会被束缚在金属内，如蓝光频率比红光高，蓝光光子能量更大。

光电效应表明宏观物质世界是非线性的，微观领域的粒子等不遵循经典物理学牛顿力学定律，背后是神秘的微观量子世界。

这一效应引发了物理学界的变革，促使人们从宏观世界迈向微观量子世界，而薛定谔的猫也将在后续的量子理论探索中“登场”

。

法国天文学家西蒙·拉普拉斯曾预言，若知晓所有物体在某一特定时间点的运动轨迹，就能据此预测未来现象。

比如抛石子，掌握抛出瞬间的高度、速度和动量，就能算出其落点。

德国物理学家、量子力学主要创始人卡尔·海森堡在微观世界发现了与拉普拉斯预言相悖的现象。

在微观世界里，无法同时测准物体的位置和动量。

若要精准测定原子大小石子的位置，其动量就难以捕捉；若要确切测算石子动量，其位置又难以确定，这就是量子力学的核心原理——海森堡不确定性原理。

科学家测量微观粒子的位置和动量不能依靠显微镜，测量微观粒子动量适合用波长较长的光，但测不准其位置；测量微观粒子位置则需用波长较短的光。