用身邊器材做實(shí)驗(yàn)，感受光的波動(dòng)性

很多同學(xué)都聽過“光的波粒二象性”，說的是光既具有“粒子”性質(zhì)，又具有“波”的性質(zhì)。初中物理也介紹了可見光與不可見光、光的本質(zhì)是電磁波，并探究了光的直線傳播、光的反射、光的折射現(xiàn)象，但是對“光的粒子說”“光的波動(dòng)說”沒有進(jìn)行介紹。

其實(shí)，“光波”并沒有那么神秘。利用身邊常見器材，我們就可做幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)，感受一下“光的波動(dòng)性”了。

光的衍射

能證明“光具有波的性質(zhì)”的主要證據(jù)，是光的衍射和光的干涉等。

所有的波在傳播時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。

水波很常見。蜻蜓點(diǎn)水能產(chǎn)生水波，往湖面扔石子也能產(chǎn)生水波。當(dāng)水波遇到堤壩時(shí)會(huì)被擋住，還會(huì)發(fā)生反射。如果堤壩上有個(gè)缺口呢？水波則會(huì)從缺口傳播過去，并繞到堤壩的后面，這就是水波的衍射現(xiàn)象（圖1）。

聲波的衍射現(xiàn)象也非常普遍。有人在房門敞開的屋內(nèi)談話，我們在走廊上就可以聽到聲音。盡管門兩側(cè)有墻體作為“堤壩”，聲波還是從“門”這個(gè)缺口傳播出來了，并繞到了墻體背后，繼續(xù)向前傳播。如果碰到比較粗的廊柱或者比較粗的樹木，同學(xué)們可以體驗(yàn)一下，躲在廊柱或樹木背后，能否聽到前方傳來的談話聲。

光在傳播過程中，遇到障礙物或缺口時(shí)，也會(huì)偏離直線傳播的路徑，繞到障礙物后面繼續(xù)傳播，即發(fā)生衍射。正是因?yàn)檠苌洌瑢?dǎo)致了影子沒有明銳的邊界（圖2）。大家可以觀察一下生活中的影子，或者自己“制造”的影子，看看影子邊界狹小的模糊地帶。

人眼所能感受到的可見光，波長只有幾百納米，在射向針孔、狹縫、細(xì)絲等“小缺口”時(shí)，衍射現(xiàn)象才比較明顯。裁一張黑色的卡紙條，放在玻璃臺(tái)面上，用美工刀在紙上劃出一條細(xì)縫。用紅色或綠色的激光照向豎直的細(xì)縫，在細(xì)縫背后的光屏上，你看到的卻是一條水平方向的、明暗相間的直線——就像水波通過堤壩的缺口，繞到了堤壩的后面（圖3）。至于明暗相間，就要提到波的干涉現(xiàn)象了。

光的干涉

仍以水波為例。波浪高低不平，能直觀地看到“波形”，波浪最高的部分被稱為“波峰”，最低的部分被稱為“波谷”。找個(gè)大一些的容器，倒入深2 厘米左右的水，讓兩支鉛筆以相同的節(jié)奏點(diǎn)擊水面，就可以看到水波相遇時(shí)的情景（圖4）。

水波相遇，波峰與波峰重疊時(shí)，會(huì)形成更高的波峰；波谷與波谷重疊時(shí)，會(huì)形成更低的波谷；幅度相同的波峰與波谷重疊時(shí)，則會(huì)抵消。這種現(xiàn)象就是波的干涉——波在空間發(fā)生疊加，形成了新的波形。表現(xiàn)在光的干涉上，則出現(xiàn)明暗不同的區(qū)域（光的干涉還需要滿足一定的條件，此處略過）。

制作狹縫的方法有很多。例如，把兩支鉛筆靠在一起，在鉛筆中間留個(gè)細(xì)縫；或者將兩個(gè)美工刀刀片并排放，中間留出細(xì)縫；也可以找個(gè)玻璃片，壓在蠟燭火焰上烤一烤，玻璃片上就會(huì)出現(xiàn)一層炭黑，再用刀片在炭黑上劃一刀，也會(huì)出現(xiàn)透光的細(xì)縫。

這里所說的狹縫，絕對尺寸雖然小，但是相對于光的波長來說，還是比較大的。從狹縫透過的不同光波進(jìn)行疊加，會(huì)發(fā)生干涉；單色光干涉出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，復(fù)色光（比如太陽光、手電筒光）的干涉還可能出現(xiàn)彩色的干涉條紋。

也可以在黑色卡紙上劃出兩條靠近的平行細(xì)縫（圖5），讓激光能同時(shí)穿過兩條細(xì)縫，也會(huì)在光屏上看到明暗相間的干涉條紋。這是初中講述的光的直線傳播、反射、折射等理論模型所無法解釋的。

能發(fā)生干涉同樣是所有波的特征，比如聲波的干涉。

找兩個(gè)頻率相同的音叉，分別插入共鳴箱。用橡膠錘敲擊兩個(gè)音叉，讓它們振動(dòng)發(fā)聲。手拿起兩個(gè)共鳴箱，保持在同一高度且讓箱口相對，并改變它們之間的距離，就會(huì)聽到時(shí)大時(shí)小的聲音——兩列聲波相遇，相互加強(qiáng)時(shí)，聽到的響度大；相互削弱時(shí)，聽到的響度小（圖6）。聲音的大小，類似光斑的明暗、波浪的高低。

把兩個(gè)尼龍三角茶包拆開，將尼龍布整理平整，可以發(fā)現(xiàn)它們是透光的。將兩塊尼龍布疊放，就會(huì)看到彎曲的灰色條紋（圖7）。布料的紋路將光波分離，分離后的光波相遇發(fā)生了干涉。移動(dòng)或彎折尼龍布，干涉條紋也會(huì)發(fā)生變化。透過尼龍襪子也能看到類似的現(xiàn)象。不同波長的光，衍射時(shí)的角度也不同，這樣就會(huì)把白色光分解開來，可能觀察到彩色條紋。

類似地，透過拉緊的手帕觀察白熾燈，會(huì)在燈泡周圍看到模糊的彩色星狀放射光帶；透過羽毛的縫隙觀察燭焰，也會(huì)看到星狀的多個(gè)火苗，閃爍著彩色的光。站在大平面鏡前，用尼龍紗蒙住自己的頭，用手電筒光照射鏡面，迎著鏡子反射的光束看鏡中的虛像時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)頭部周圍出現(xiàn)彩色光環(huán)。這些現(xiàn)象都是光的干涉造成的。

我們看到的肥皂泡上的彩色條紋，也是光的干涉形成的。

光的偏振

用一根長繩就可以制造出一列波。將水平長繩的一端固定，另一端用手拉緊并上下抖動(dòng)，就能看到繩上出現(xiàn)一列波。波在同一平面內(nèi)沿上、下方向振動(dòng)，沿水平方向傳播。振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波，叫作“橫波”。在波傳播的方向放一個(gè)柵欄，如果柵欄縫隙的方向與振動(dòng)方向一致，繩上的波能順利通過，繼續(xù)向前傳播；如果縫隙方向與振動(dòng)方向垂直，繩子上的波就會(huì)被阻攔，不能繼續(xù)向前傳播。

光波是電磁波家族的一員。電磁波在傳播時(shí)，電磁場隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，電場與磁場的振動(dòng)方向相互垂直，并且與電磁波傳播方向相互垂直。也就是說，光波是橫波（圖8）。同樣可以在光波的傳播方向上設(shè)置一個(gè)柵欄，讓振動(dòng)方向與柵欄縫隙方向相同的光波通過，而把振動(dòng)方向垂直于柵欄縫隙的光波給攔下。偏振片就是這樣的“柵欄”，偏振片上的透光軸就類似柵欄的縫隙。

網(wǎng)上可以買到偏振片。將兩個(gè)偏振片疊放，若兩個(gè)透光軸平行，則與透光軸平行的光波可以通過，我們可以看清偏振片下方的景物，只是比沒有偏振片遮擋時(shí)暗一些（圖9）。此時(shí)將其中一個(gè)偏振片旋轉(zhuǎn)，看到的景物將越來越暗；當(dāng)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，兩個(gè)偏振片的透光軸相互垂直，就擋住了所有的光，這時(shí)就看不清偏振片下方的景物了（圖10）。

偏振片廣泛應(yīng)用于顯微鏡、投影儀、激光器、照相機(jī)鏡頭、液晶顯示器等設(shè)備。觀看3D電影時(shí)佩戴的眼鏡也使用了偏振片，左、右眼看到的是不同偏振方向的圖像，經(jīng)過大腦合成，便產(chǎn)生了立體視覺效果。

光中到底隱藏了什么秘密？2000多年前的哲學(xué)家就開始思考了。17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，認(rèn)為光是由高速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的，并據(jù)此解釋了反射和折射現(xiàn)象。但是，荷蘭物理學(xué)家惠更斯（比牛頓大十幾歲）將光與水波類比，認(rèn)為光是一種波，并預(yù)言了光的干涉和衍射現(xiàn)象。笛卡兒、胡克等科學(xué)家也提出了波動(dòng)說的相關(guān)雛形。從此，科學(xué)家開始了數(shù)百年的爭論。一兩百年后，爭論漸入高潮，雙方都有了越來越多的證據(jù)。許多科學(xué)家，如托馬斯·楊（做了著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)）、麥克斯韋（計(jì)算出光波和電磁波的傳播速度是一致的）、赫茲（證明了光的本質(zhì)就是電磁波，頻率的單位用他的名字命名）、普朗克（提出了能量量子化的概念）、愛因斯坦（提出光量子假說）、薛定諤（提出了那只既死又活的貓）、玻爾（哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)軍人物）、玻恩（哥廷根學(xué)派的領(lǐng)軍人物）等，都紛紛參與進(jìn)來。這場持續(xù)的辯論直接導(dǎo)致了量子力學(xué)理論的發(fā)展與完善，并讓“光的波粒二象性”成為共識(shí)。芯片、核磁共振、超導(dǎo)、激光等技術(shù)，都是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。可以說，對光的本質(zhì)的探討推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展。

然而，光到底是什么？到目前為止，還沒有任何一位科學(xué)家敢說自己掌握了光的本質(zhì)。

（責(zé)任編輯：白玉磊）