小问号和感叹号爱科学

　　圣经创世纪说:神说:要有光，就有了光。
　　小问号看到这，很不理解，问感叹号:“光是什么？”
　　感叹号想了一下，说:“光就是照亮物体的东西。比如，太阳发光，照到地球这一面是白天，没有照到的那一面是黑夜。”
　　小问号说“为什么光能照亮物体，而其它东西不能？”
　　感叹号说，问爸爸吧。
　　冒号爸爸说:“牛顿用三棱镜分解太阳光发现，太阳光是由红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光组成的白光。如果太阳光照在树叶上，其它颜色的光全部被吸收掉，只剩下绿光没有被树叶吸收，并且反射出来，这样，树叶就呈绿色。同样道理，如果太阳光七种颜色的光全部被物体吸收，没有可见光反射出来，物体就呈黑色。如果物体不吸收太阳光，将七种颜色的太阳光全部反射出来，物体就是白色的。所以，我们能够看见物体，需要太阳光照在物体上。”
　　小问号问:“我们常常看见光线，光是一些线条吗？”
　　冒号爸爸说:“光不是线条，牛顿认为光是一个一个的小微粒。”
　　感叹号奇怪了:“我们并没有看见光是一个一个的小微粒，为什么牛顿要认为光是一个一个的小微粒呢？”
　　冒号爸爸说:“牛顿发现光照在镜面上要反射，入射角等于反射角，这和小颗粒打在镜面上被反弹起来的情况一样，所以牛顿认为光是一个一个的光微粒。但是，牛顿研究光射入到水中的情况时，牛顿认为水在光的入射点的法线方向，就是垂直水面方向有一个吸引力，而在水平面方向没有任何力的作用，于是光进入水中要靠法线方向偏折。经过他的计算，得到一个光的折射公式，根据这个公式得到光在水中的传播速度比光在空气中的传播速度大一些的结论。这个结论是错误的。王为民发现，牛顿想法没有错，牛顿错在使用了光微粒的错误的经典力学动量表达式，王为民用光子的量子力学动量表达式进行计算，得到了正确的光的折射公式，得出光在水中传播速度比空气中慢的结论。所以，王为民的这个计算是对量子力学关于光的粒子性的一个重要支持。”
　　感叹号说:“我感觉王为民研究的东西都好像是在对传统物理学的继续。是不是王为民支持牛顿的光的微粒说呢？”
　　冒号爸爸说:“先了解一下历史，再回答你的这个问题吧。二十世纪，德布罗意提出微观粒子的波粒二象性观点。认为光不仅是粒子，而且还是波。即便是电子、质子、中子等粒子，既是粒子也是波。”
　　小问号不理解了，说“前面说光是粒子，为什么科学家又认为光是波呢？”
　　冒号爸爸说:“和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯认为光不是微粒而是波。比如水波，声波就是波。波具有干涉、衍射现象。用单色光不是照到镜子上，而改为，在一张纸上开一个狭缝，用单色光从狭缝照射过去，发现后面的屏幕上不是一条狭窄的条状光斑，而是出现有一定间隔的许多条状光斑，这只有波才会弥散开来，形成许多条状光斑，粒子穿过狭缝没有这种现象。这种现象就叫做波的衍射或者说是绕射，意思是光可以转弯地照射。光如果是粒子，是不能转弯的。如果继续在屏幕上开两个和原来的第一张纸上的狭缝方向平行的狭缝，光从屏幕上照过去投射到后面的第三张纸做的新的第二个屏幕上，结果发现，第三张纸上同样出现弥散开来的许多与狭缝方向平行的条状光斑，这种现象，叫做光的干涉。”
　　小问号问:“怎么要起新名字了？为什么不叫光的衍射了？”
　　冒号爸爸解释说“其实光仍然有衍射，只是两个狭缝的光同时出现在第三张纸做的屏幕上，多了一个现象，就是两个狭缝的光要进行叠加，就像两个水波相遇，水面在垂直方向上的高度要发生叠加一样，经过两个狭缝的光波相互进行了叠加，这个叠加现象就是光波的干涉。一个狭缝射到屏幕的光斑最强强度与另一个狭缝射到屏幕的最强强度要叠加为原来单独最强强度的4倍，而最弱的光斑叠加比原来小4倍。光的衍射和光的干涉现象都是波的性质，这又证明光是波。”
　　小问号纳闷了，说:“到底光是粒子还是波呢？”
　　冒号爸爸说:“二十世纪，普朗克发现黑体辐射能量按照光的波长的分布曲线只能按照光是一份一份的能量进行求和运算，理论才和实验完全一致，如果把光看成是连续能量进行积分运算，得到的结果与实验数据相矛盾。这证实了光是不连续的能量子。爱因斯坦认为，光的发射不仅是一份一份的，光的传播也是一份一份的，于是爱因斯坦把这样的能量子叫做光子。后来，康普顿做了光子和电子的散射实验，证明光子和电子像两个粒子那样碰撞，光子的波长要变长。而如果光是波，光波在电子上反射是不能改变波长的，这是波的性质，可见，这个可以改变光的波长的光子与电子的散射实验证明了光是粒子。后来，爱因斯坦用光的粒子观点解释了光电效应，即光具有一定频率的能量才能将金属锌中的电子打出来形成光电子。如果光子频率过低，再多的光子也不能将金属锌中的电子打出来成为光电子，这说明，光子是一份一份的粒子，而不是光波，因为波的强度与频率无关，只与振幅有关，这与光的波动性矛盾。最后，科学家终于认识到，光既是粒子也是波。光具有波粒二象性，在一定条件下，只是更容易表现光的波粒二象性中的一种性质而已。”
　　小问号问:“爱因斯坦广义相对论说，星光在恒星附近要发生偏折。那么，星光在光子附近能不能够发生偏折啊？”
　　冒号爸爸说:“按照相对论，光子没有静止质量，光子的静止质量为零。但是，光子是运动的，光子具有动质量，只要有质量，就可以让星光发生偏折。所以，王为民提出波粒时空三象性，就是说，微观粒子既是粒子，也是波，同时还是弯曲的时空。光子的时空间隔的平方等于零，但是，光子的黎曼曲率不等于零，光子的爱因斯坦张量不等于零。所以，光子能够使时空弯曲，所有微观粒子都能够使时空弯曲，所以，微观粒子具有王为民波粒时空三象性。”
　　感叹号对小问号说:“你提出光是什么的问题的学问真不少，我希望你提出更好的问题。”

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