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自然界有什么物质与光有关系?

2024-08-22分类:家庭养花 阅读:59

我们先讨论光是不是物质。

我们知道,自然界的物质形态有很多种。实物、场、暗物质、暗能量等都是自然界中普遍的物质存在形式。其中,暗物质、暗能量占据了整个宇宙的约 96%。我们日常所提到的物质,严格地讲应该叫实物――即由原子、分子构成的物质。场是传递相互作用的物质,譬如引力场、电场、磁场等。

之所以将光归为物质,是因为光与原子一样,能够与其他物质传递能量和动量。这是判断一个物理实体能否归为物质的主要依据。

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下面讨论光子是不是构成物质的基本粒子。

经典物理中,麦克斯韦把光看成是一种电磁波,没有任何粒子的特性;对于实物粒子(如电子、中子、质子等)则被纯粹地认为是一种粒子,用于构成更复杂的物质结构,进而构成宏观实体,没有任何波的特性。后来,人们发现黑体辐射、光电效应等,无法完全利用光的波动性加以解释,于是物理学家开始把光看成是一些光子的集合,同时具有波动性,量子力学由此诞生。之后,那些实物粒子也被双峰干涉实验发现具有波动性,具有同光量子相同的性质。于是,物理学把这个光与实物的都具有普适特性称为「波粒二象性」,光与实物由此统一起来。――――――――――――在现有物理学理论中,光的本质究竟是什么?光的本质就是可见光频率的光子流,在真空中以光速传播,与其他微观粒子一样具有波粒二象性。从这个意义上讲,光是一种概率波。当光的粒子数密度极高,且探测仪器分辨本领远低于一个光子的能量时,则可以看做是经典电磁波,其传播遵循 Maxwell 方程组。光子是一种基本粒子,是传递电磁相互作用的玻色子。(如图)发光的种类有很多。比如说:原子、分子由高能级跃迁至低能级往往会向外发射光子;热辐射本质也是电磁辐射,一切不是绝对零度的物质都会向外热辐射;萤火虫通过化学反应发射光子。根据量子场论,光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子、原子一样,是由更基本的结构组成的。而在经典的电动力学理论中,是没有「光子」的概念的。关于 Maxwell 经典电磁场理论如何与光子学说统一起来,这里有一个知乎问题可供参考:

如何从量子光学出发,给出波动光学中经典电磁波的电、磁场分量,以及光强等概念的量子对应? – 知乎

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