人类首次观察到光子的波粒二相性

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）合作，利用日本电子JEM-2100改造的超快透射电镜(UTEM）证明了光的波粒二象性。...



光究竟是什么，对人类而言曾是长久的迷。

1905年，爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，指出光束不是连续的波动，而是离散的量子化波包，称为“光量子”（后来称为光子），其能量大小由频率决定。金属表面的电子吸收光量子时，也只能吸收一份，而不是好几份，所以只有频率高于特定值的光量子，才能使电子获得能量摆脱金属表面束缚，产生光电效应。按照这种描述，光既具有波动性质（频率是波的标志），又具有粒子性质（离散发射），这就是著名的光“波粒二象性”理论。

波动和粒子，这两种在历史上曾经水火不容的矛盾，在现代物理学中得到了统一：光子既像波一样有频率、波长，又像粒子一样具有特定的能量、质量。有时候光子出现在特定位置（比如产生光电效应时），有时又同时出现在不同地方（如双缝干涉实验中）。多年来一直有科学家试图同时直观地揭示光子的粒子性和波动性，但绝大多数实验中，最终观测到的只有一种性质。

这个状况在2015年3月2日得到了突破。英国《自然·通讯》杂志刊登了由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）利用日本电子JEM-2100改造的一台超快透射电镜上拍摄的一张同时表现光的波粒二象性的照片。这种方法是怎么看见并且测量光的？说起来很巧妙，是利用了电子的波粒二象性来测量光子的波粒二象性。

瑞士的科学家们，把一束波长为800纳米的激光发射到一根直径45纳米、长度3400纳米的精细金属线上。激光激发了金属线上的带电粒子，产生振动。进而激光沿着金属线传播。用两束激光从两端以相反方向传播，它们在某种条件下可以形成“驻波”，顾名思义就是保持波的形状，但形状“停止”不动了。我们两个人保持某种频率用力抖动一根绳子时，绳子上也可能会出现这种驻波现象。在波峰周围，是强度很高的激光，而在幅度为零处，方向相反的激光彼此抵消（即此处没有光子）。

这时候，科学家们又发射了一束电子接近纳米线，也就是使电子和金属线周围的驻波激光发生作用。

科学家们使用超快透射电子显微镜（UTEM）来接收经过驻波之后的电子。由于电子和光子会发生作用，导致电子的速度发生变化，因此，电子显微镜上显示电子速度发生变化的区域，就是激光驻波的形状，这就是光的波动性最直观的证据。

超快透射电子显微镜还能够测量电子速度改变的具体数值，也就是发生能量交换的大小，结果表明，电子和光子的之间的能量交换，都是以不连续的、具有特定大小“能量波包”形式出现的，这就证明了激光光子的粒子性。

就这样，瑞士科学家们从JEOL的JEM-2100透射电子显微镜上得到了第一张可以同时直观表达光的“波粒二象性”的证明照片。



PS：超快电镜可不是外国人的专利哦，中科院物理所李建奇老师课题组也利用JEOL的电镜取得了大量的成绩。参加了2015年日本电子电镜会的老师们都知道~

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