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粒子物理学中无处不在的光子

2021-07-24 20:45     来源:中科院高能所     X射线LHC原子核
光子既平凡又充满惊喜。

物理学家言语中的光子,其他人可能只是称之为光。光量子是最小的电磁能量单位。此刻如果您正在屏幕上阅读这篇文章,光子流携带着文字的图像正流入您的眼睛。在科学中,光子可不仅仅用于照明。波兰克拉科夫核物理研究所的研究助理、大型强子对撞机(LHC)寻找新物理学的理论家Richard Ruiz说:“粒子物理学中光子无处不在。”

光子推动了物理学几个世纪的发展 ,今天它仍然是一个重要的工具。


▲    来源:芝加哥沙盒工作室插图


· 从波到粒子到玻色子

自古以来,人们就对光的本质进行探究,埃及、美索不达米亚、印度、希腊等国的哲学家和学者对此有较早的认知。从17世纪末到20世纪初,科学家们反复进行光的本性之争:光是粒子还是作为波?


1690年,惠更斯出版《光论》(Traité de la lumiére,1690)一书,他主张“光同声一样,是以球面波传播的“,他把光描述为由在以太中移动的波组成。

1704年,牛顿(Isaac Newton)在他出版的《光学》(Opticks)一书中持不同意见:当光从物体表面反射时,它就像一个弹跳的球; 它射入物体表面的角度等于它反弹回来的角度。牛顿认为,如果光是由粒子( “微粒流”)构成的,这种现象就可以得到很好的解释。他用三棱镜进行了著名的色散试验,玻璃棱镜将一束白光折射成五彩缤纷的颜色,当光线通过第二个棱镜再次折射时,它不再进一步分裂,彩虹的颜色保持不变。按照牛顿的理论,这可以假设白光是由许多大小不同的微粒组成。红光是由最大的微粒组成的,紫罗兰由最小的微粒组成的,它们不同的大小导致微粒以不同的加速速度通过玻璃,这使它们分散开来,产生了不同颜色的彩虹,但不能被第二个棱镜进一步分解。不过,牛顿的微粒模型有一个明显的缺陷,当光穿过一个小洞时,它就像水中的波纹一样扩散开来。牛顿的微粒模型不能解释这种行为,而惠更斯的波模型可以。

尽管如此,当时科学家们比较倾向于牛顿的假说。毕竟牛顿写了《原理》,科学史上奠基书籍之一。惠更斯的模型在1801年得到了一些支持,托马斯·杨进行了双缝实验。在实验中,杨将一束光并排通过两个小孔,穿过小孔的光形成了一种特殊的图案。每隔一段时间,经过两个孔的交叉波纹相互作用——产生更明亮的光,或相互抵消,像海浪一样。

大约五十年后,另一个实验使惠更斯的模型更有说服力。1850年,Léon Foucalt将光在空气中的速度与光在水的速度进行了比较,与牛顿的预言相反,光在密度更大的介质中并没有移动得更快。相反,像波一样,它的速度变慢了。11年后,麦克斯韦发表了《Physical Lines of Force》一书,他在书中预言了电磁波的存在。麦克斯韦注意到它们与光波的相似之处,这使他得出结论:它们是同一种。

惠更斯的波模型似乎赢得了胜利。但在1900年,普朗克提出了一个想法,引发了关于光的全新思考。普朗克把电磁波能量量子化,解释了一些令人困惑的辐射行为。1905年,爱因斯坦以普朗克的能量子概念为基础,宣布粒子与波势均力敌,最终解决了粒子与波的争论。
正如爱因斯坦所解释的那样,光既具有粒子的性质,也具有波的性质,每个光粒子的能量对应于波的频率。他的佐证来自于对光电效应的研究,光电效应是指光将电子从金属中撞出的方式。如果光以连续波的形式传播,光在金属上照射足够长的时间,总是会把一个电子撞击出去,因为光传递给电子的能量会随着时间积累。

但是光电效应并非如此。1902年,菲利普观察到,只有高于一定能量的光或者高于一定频率的光波才能从金属中撞出电子。在这种情况下,光更像是一个粒子,一个单独的能量子。密立根并不相信光量子的存在,他企图推翻爱因斯坦的假设。令他惊讶的是,他仔细测量了光和发生光电效应的电子之间的关系,在实验上精确证实了爱因斯坦的光电效应定律。爱因斯坦对光电效应的研究使他获得了1921年的诺贝尔奖。

1923年,康普顿为爱因斯坦的光模型提供了证实。康普顿将高能光射向材料,并成功地预测了碰撞中释放的电子散射的角度。他假设光线像小台球一样。化学家吉尔伯特·刘易斯给这些台球起了个名字。在1926年给《Nature》杂志的信中,命名它们为“光子”。

近年来,科学家们思考光子的方式在不断演变。其一,光子现在被称为“规范玻色子”。规范玻色子是传递相互作用的媒介粒子。例如,原子之所以粘在一起,是因为原子核中的带正电的质子与绕其轨道运行的带负电的电子交换光子——即电磁力的相互作用。其二,光子现在被认为是量子场中的粒子、波和激发态(量子场中的波)。物理学家认为每一个粒子都是量子场的激发物。Ruiz 曾说:”我喜欢把量子场想象成一个平静的池塘,你看不到任何东西, 然后你丢一块鹅卵石进去,表面产生涟漪。这是一个粒子。”


▲    来源:芝加哥沙盒工作室插图


· 光子的工具性

无线电波、微波、红外线、紫外光,X射线和伽马射线,它们都是光,都是由光子组成的。


▲    电磁光谱 | 图片来源于网络

光子无处不在。它们在互联网和手机信号中传播;它们分解旧物体,使之变为可以用于制造新物质的原材料,用于塑料制品的再回收;医院中以光束瞄准并摧毁癌变组织。

它们是各种科学研究的关键。光子在宇宙学中是必不可少的:研究宇宙的过去、现在和未来。科学家们研究恒星发出的电磁辐射,比如无线电波和可见光。天文学家通过微波天空成像来绘制我们的星系及其邻近星系的星系图。他们利用红外光来探测阻挡视线的太空尘埃。科学家收集紫外线、X射线和伽马射线的信号,来研究我们的银河系或更远的地方的高能星系。或探测到微弱的信号,比如被称为宇宙微波背景,这或许是大爆炸后几秒钟的宇宙状态。

光子在物理学中也很重要。2012年,大型强子对撞机(LargeHadron Collider)的科学家通过研究希格斯玻色子衰变的光子对,发现了它。物理学家DonnaStrickland开发了一种产生高强度、超短光脉冲的方法,在2018年获得了诺贝尔物理学奖。产生强X射线、紫外光和红外光的机器,可帮助科学家从分子的细节上检查材料。斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne说:“通过电磁光谱,光子可以为我们提供如此多的关于世界的信息。”

Dionne研究领域是纳米光子学,这是物理学的一个分支领域。科学家研究光与分子和纳米结构的相互作用,还利用光子来提高催化剂的效率;Dionne 说:“人们通常不会想到光子来为化学所用,通常是添加新的化学物质来实现某种反应或控制溶液的温度或pH值。但是光带来全新的实验维度和全新的工具。”

一些物理学家甚至在寻找新的光子类型。理论上的“暗光子”可以作为一种新的规范玻色子,可能是一种新的标准模型粒子与暗物质粒子相互作用的媒介子。

光子总是充满惊喜。

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