诺贝尔奖与光学光的量子性
光的粒子性和波动性
光的粒子性和波动性光，作为一种电磁辐射，不仅具有粒子性，还具有波动性。
这一现象在光的行为表现中得到了明显的体现，光的粒子性由爱因斯坦的光量子说得到了解释，而光的波动性则由诺贝尔奖得主杨振宁和杨振宁共同提出的杨-杨双缝干涉实验得到了验证。
首先，光的粒子性可以以光量子说来解释。
光量子说是由爱因斯坦在20世纪初提出的，它认为光是由许多离散的“光量子”组成的。
这些光量子也被称为光子，每个光子都具有一定的能量和动量。
在光电效应中，光子与物质相互作用，将能量传递给物质中的电子，使其跃迁到更高的能级或者脱离原子成为自由电子。
这一现象表明了光子具有粒子性，其与物质间的相互作用符合粒子的特点。
其次，光的波动性可以通过杨-杨双缝干涉实验来论证。
杨-杨双缝干涉实验是杨振宁和杨振宁于1801年提出并进行的一项经典实验。
实验中，将一束单色光通过一个狭缝照射到一个遮光板上，再由遮光板上的两个狭缝射出。
当两束光线交汇后，在屏幕上观察到一系列明暗相间的干涉条纹。
这表明光具有波动性，光波通过双缝形成干涉，产生了干涉条纹。
光的双重属性使其在不同的实验条件下表现出不同的行为。
在一些实验中，光的粒子性更为显著，如光电效应和康普顿散射实验。
而在其他实验中，光的波动性则更加明显，如干涉和衍射实验。
事实上，我们可以通过适当的实验设计和条件控制，有效地调控光的粒子性和波动性的体现。
总结起来，光作为一种电磁辐射，既具有粒子性也具有波动性。
光的粒子性由光量子说进行解释，而光的波动性则由杨-杨双缝干涉实验得到验证。
光的双重属性使其在不同情况下表现出不同的行为，这也为我们深入理解光的性质和应用提供了重要的理论基础。
这种粒子性和波动性的存在，使得光在物理学、光学和量子力学等领域都具有广泛的研究和应用价值。
光的粒子性和波动性之间的关系
光的粒子性和波动性之间的关系光以其复杂多变的性质，在科学家们的研究中一直是一个挑战和困惑。
光既表现出粒子性，又表现出波动性，这两种性质之间的关系一直是科学界关注的焦点。
本文将探索光的粒子性和波动性之间的关系，包括历史发展、实验证据以及对于这一关系的未来研究。
在物理学的发展史上，对光的性质的理解一直不断演变。
17世纪末，英国科学家牛顿提出了光的粒子说，即光是由许多微小的实质粒子组成的。
这个理论解释了光的直线传播和反射等现象，但对于折射、衍射等波动性现象则无法解释。
与之相对应的是，荷兰科学家胡克和惠更斯等人提出的光的波动说。
根据他们的观点，光是一种波动现象，能够解释光的衍射和干涉等现象。
然而，光的波动说无法解释光电效应等实验证据。
随着科学技术的进步，20世纪初，爱因斯坦提出了光的粒子性和波动性的统一理论，即光量子论。
根据光量子论，光既是由光子这种具有粒子特性的粒子组成，又表现出波动性。
这个理论被实验证据所支持，爱因斯坦因此获得了诺贝尔物理学奖。
其中最为著名的实验证据之一是康普顿散射实验。
康普顿散射实验证明了光子具有动量和能量，从而进一步证实了光的粒子性。
除了光量子论，量子力学也对光的性质提供了新的理解。
量子力学是一门解释微观粒子行为的物理学分支，它建立在概率和波函数基础上。
在量子力学的框架下，光的波动性可以用波函数描述，波函数表示光的空间分布和振幅。
同时，光的粒子性可以用光子模型来描述，光子具有电磁辐射能量。
总体而言，量子力学提供了一种理论框架，能够同时解释光的粒子性和波动性。
近年来，关于光的粒子性和波动性之间关系的研究正在不断深入。
一些新的实验techniques提供了更加深入认识光的本质的机会。
例如，双缝干涉的实验中，光经过两个狭缝后形成干涉条纹，这表明光具有波动性。
然而，当实验中只有一个光子通过时，最终的干涉条纹也按照波动性的特征形成。
这就引发了一些新的思考，包括光的波动性是否是光现象的本质的问题。
2022年诺贝尔物理学奖量子纠缠
2022年诺贝尔物理学奖量子纠缠2022 年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他们“用纠缠光子进行实验，确立了贝尔不等式的违背，开创了量子息科学”。
其中，安东·塞林格是中国科大“爱因斯坦讲席教授”，他也是中国量子息领军人物潘建伟在奥地利留学时的博士生导师。
塞林格长期关怀中国科大国际合作和人才培养工作，积极推动中奥学术交流。
他曾多次做客中国科大“大师论坛”以及“墨子沙龙”活动，鼓励和引领青年学子投身量子科技事业。
2020年，安东·塞林格被授予“中国政府友谊奖”。
塞林格做客“墨子沙龙”，给青年学子讲述量子科学与技术（拍摄于2019年）值得一提的是，诺贝尔奖授予量子息科学，中国科学家也做出了重要贡献。
早在上世纪90年代，潘建伟就和导师塞林格一起开展量子息实验研究。
诺贝尔奖新闻发布会和获奖工作的官方介绍文件中，都大量引用了潘建伟及其团队的成果与贡献。
例如，诺奖官方介绍中着重强调了量子隐形传态、纠缠交换的首次实现等工作，而在这一系列工作中，潘建伟都起到了核心作用；诺奖新闻发布会上还重点展示了“墨子号”的工作，正是这些后续优秀工作的推动，量子息从早期的梦想变为现实，量子息先驱荣获诺奖更众望所归。
量子息科学是正在快速发展的新兴学科。
对于一个初生的孩子，他的力量，就是生长的力量。
我们有理由期待，量子息科学将给人们带来更多惊喜，而中国科学家也将做出更重要的贡献。
以下文章翻译自诺贝尔奖委员会对获奖工作的官方介绍文件。
量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。
利用单粒子系统的特殊性质来构建量子计算机、改进测量、建造量子网络和安全的量子保密通，这些研究和进展正在蓬勃发展之中。
量子纠缠许多应用依赖于量子力学的一个独特性质：允许两个或更多粒子存在于一个共享的状态，无论它们相距多远。
量子光学
物理含义：好的吸收体 也是 好的辐射体
研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题
15.1.4 黑体辐射的实验规律
➢实验装置
L1 黑体
A
B1 准直系统
P 三棱镜
B2 C 测量系统
P: 将不同波长折向不同方向， B2: 围绕P转动，吸收不同波长的单色辐出度。
总结出：黑体辐射的实验规律
A) Stafan-Boltzmann定律 (1879,斯特藩 )
dE吸 T , dE入 T ,
②单色反射系数：
(T , )
dE反 T , dE入 T ,
对于不透明的物体，有：T, T, 1
根据单色吸收系数 (T , ) 的不同，可区分
选择性吸收体： (T , ) 对某波长或波段较大
灰体： (T , ) C C 1
绝对黑体： (T , ) 1
e0,T
2 hc2 5
1
hc
e kT
1
可导出:
1.维恩公式（短波）
e0 ,T
C1
5
C2
e T
2.瑞利－金斯公式（ 长波）
e0 ,T
2ckT 4
3.
E(T )
0
e0
,T
d
T
4
5.71108 W m2 K4
4. de0,T 0
d
T m b
b 2.897103m K
“能量子” 完全背离经典物理思想，受到当时许多人的 怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗---洛仑兹。乃至当 时普朗克自已也想以某种方式来消除能量量子化。
铁块温度越来越高 a) 当你取出靠近时 ----单位时间辐射能量越来越多 微热---热乎---很热---热浪逼人
百年诺贝尔物理学奖及其对现代科技的影响
诺贝尔物理学奖及其对现代科技的影响摘要：诺贝尔奖是根据瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱所设立的奖项，包括的奖项有和平奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖、物理学奖，旨在奖励那些曾赋予人类最大利益的人。
诺贝尔物理学奖从1901年开始颁发至今已有百余年的历史，目前它已成为国际上最具影响力及权威性的科学奖项。
本文简要介绍了诺贝尔的生平及诺贝尔奖的由来，着重论述了诺贝尔物理学奖对现代科技的影响，由诺贝尔物理学奖的颁发预测了21世纪物理学的发展趋势，揭示了诺贝尔物理学奖颁发的启示。
关键词: 诺贝尔物理学奖现代科技发展趋势启示第一章诺贝尔生平及诺贝尔奖概述1.1 诺贝尔生平阿尔弗雷德·伯纳德·诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel），是19世纪著名的化学家，1833年10月21日出生于瑞典首都斯德哥尔摩。
就在诺贝尔出生前一年，一场火烧毁了他的家，全家只好靠借债度日，父亲为了躲债，单身离家出走，幸好由母亲把家务全部担当下来。
诺贝尔凄苦的童年生活使他身体虚弱、性格内向。
诺贝尔8岁上学，仅读了一年就辍学了，这是他一生唯一的一次接受学校教育。
诺贝尔父亲是一位很有才干的机械师，后来他父亲发明的机械在俄国受到欢迎，家境开始好转，在1842年，诺贝尔9岁时全家迁居俄国彼德堡。
由于语言不通，诺贝尔和两个哥哥都进不了当地的学校，只得请家庭教师教他们学习外语和自然科学。
由于诺贝尔的勤奋学习，他的学识不亚于他的两个哥哥，深得教师和父亲的喜爱。
过了不久，诺贝尔的哥哥要回瑞典，诺贝尔也只好停止学业，他就到父亲开办的工厂当助手。
诺贝尔把工厂当大学，努力学习生产理论和生产技能。
为了扩大诺贝尔的视野，使他能学到先进的科学知识和技术，1850年他父亲让他出国进行旅行学习。
两年中，他去过德国、法国、意大利和美国，由于诺贝尔善于观察，认真钻研，知识积累迅速，所以在两年后回俄国时，他已经是一位精通几国语言和受过科学训练的学者。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫•维因兰德(David Wineland)和法国的塞尔日•阿罗什(Serge Haroche)。
获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。
大卫•维因兰德(David Wineland, 1944—),出生于美国威斯康辛州密尔沃基。
1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中(Encina High School)毕业。
进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。
之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼•拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖得主)。
1970年获得博士学位。
之后加入汉斯•德默尔特(1989年诺贝尔物理学奖得主)的研究团队，在华盛顿大学做博士后。
1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。
在那里，他成为离子储存团队的领导人。
应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
塞尔日•阿罗什(Serge Haroche, 1944—)，出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。
1967年毕业于巴黎高等师范学校。
1971年从巴黎第六大学(皮埃尔与玛丽•居里大学)获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。
1975年后先后任皮埃尔与玛丽•居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。
对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中4(CERN)运行的大型重子对撞机(LHC)发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特•希格斯(Peter Higgs)获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。
但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定一一在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒(Francois Englert)和罗伯特•布罗特(Robert Brout),在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特•希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。
【历届诺贝尔奖得主(十一)】2005年物理学奖
2005年12月10日第一百零五届诺贝尔奖颁发物理学奖2005年：罗伊·格劳伯（美国）表彰他对光学相干的量子理论的贡献；约翰·霍尔（JohnL.Hall，美国）和特奥多尔·亨施（德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。
罗伊·格劳伯哈佛大学物理学教授。
他因“对光学相干的量子理论的贡献”而获得一半的2005年诺贝尔物理学奖，另一半由美国科罗拉多大学的约翰·霍尔和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·亨施分享。
基本简介罗伊·格劳伯诺贝尔物理学奖（2005年）罗伊·格劳伯（英语：RoyJ.Glauber，1925年9月1日－），哈佛大学物理学教授。
他因“对光学相干的量子理论的贡献”而获得一半的2005年诺贝尔物理学奖。
另一半由美国科罗拉多大学的约翰·霍尔和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学特奥多尔·亨施分享。
他的研究发表于1963年，罗伊·格劳伯对于物理学最突出的贡献是提出了相干态的概念和其后的数学基础。
他亦是搞笑诺贝尔奖颁奖典礼的扫帚保管员，总是负责清扫台上的纸飞机。
他的研究发表于1963年，罗伊·格劳伯对于物理学最突出的贡献是提出了相干态的概念和其后的数学基础。
科研成果美国科学家罗伊-格劳伯最终使得量子光学成为一门学科的，很大程度上要归功于另一位物理学家——罗伊·格劳伯，哈佛大学物理学教授。
上世纪60年代开始，激光技术取得了长足的发展，但是在对光本身特性的描述上则遇到了一些困难。
格劳贝尔就认为量子化的电磁场并不能代表光的一切性质，大量光子的集体行为于普通光子有很大的区别，应该更好地发展量子理论来探索光的本质，从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。
1963年格劳贝尔就通过自己工作成功地应用量子理论来解释了一些光学现象，他在《物理评论通信》上发表了研究论文，此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文，创造性的提出了“光子的相干性量子理论”。
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖2005年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯，以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献；另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施，以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。
罗伊·格劳伯1925年出生于纽约，毕业于美国哈佛大学，1949年获得哈佛大学博士学位，1952年成为哈佛大学助理教授，1956年获得哈佛大学终身教授之职，现仍供职于哈佛母校。
他成为第42个荣获诺贝尔奖的哈佛大学教授。
约翰·霍尔1934年出生于美国丹佛，1961年获卡内基理工学院博士学位，1964年获匹兹堡剑桥技术学院物理学博士学位，现供职于科罗拉多大学，同时兼任美国国家标准和技术研究院高级科学家。
特奥多尔·亨施1941年出生于德国海德堡，1969年获海德堡大学博士学位，目前担任德国马克斯－普朗克学会下属的量子光学研究所所长，同时担任慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理学教授。
光是什么？—光的量子性人类自诞生之日起，就对自身赖以生存的神秘的光产生了浓厚的兴趣。
它的本质是什么？究竟是粒子还是波？18世纪中叶，牛顿认为，光是由很小的物质微粒组成，从发光体发出，犹如一群飞行的子弹，从而建立了光的微粒说。
19世纪中叶，波更斯和菲涅尔等人通过对光的反射、折射、干涉和衍射的广泛研究，认定光是一种波。
之后，麦克斯韦提出了电磁波的理论，认为光本身就是一定波长范围的电磁波。
光就是电磁波，光的量子性，确切地讲应该是电磁场的量子性，这就是量子力学研究的范畴。
德国人普朗克在1900年提出量子假说，并于1906年建立经典量子论的理论基础，即能量只能取某一基本量（即能量子或作用量子）的整倍数，这一作用量子也称普朗克常数（h），是微观世界的基本标志。
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0 称为截止频率或红限频率
• 光电效应是瞬时发生的
驰豫时间不超过10-9s
im2 im1
·饱和光电流强度 i
光强 i成正比
m
与入射
-Uc
光电效应－实验规律
• 时间分辩:
hv－ t － e发射 测不出t （< 10-9 s, 1928年实验 ） 经典电磁理论：需要一定t以积累能量
光电效应的基本规律
• 1899年，J．J．汤姆生用磁场偏转法测光电流 的荷质比，结果与阴极射线一样，于是肯定光 电流也是由电子组成的。光照到金属表面，使 金属表面释放电子，这就是光电效应的本质。 • 1900年，勒纳(P．Lenard，1862—1947)创造了 一种独特的测量方法，使光电效应的研究取得 重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电 压，使光电流截止到零，然后从反向电压值推 算出电子逸出金属表面的最大速度。
• 实验结果与经典电磁理论相悖：
• Max Born wrote about Planck: "He was by nature and by the tradition of his family conservative, averse to revolutionary novelties and skeptical towards speculations. But his belief in the imperative power of logical thinking based on facts was so strong that he did not hesitate to express a claim contradicting to all tradition, because he had convinced himself that no other resort was possible."
Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light
• “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” ——From an address to the British Association for the Advancement of Science (1900) “The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. I. The first came into existence with the undulatory theory of light, and was dealt with by Fresnel and Dr. Thomas Young; it involved the question, how could the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether? II. The second is the Maxwell–Boltzmann doctrine regarding the partition of energy.” ——From a 1900, April 27, Royal Institution lecture. Lord Kelvin (William Thomson)
Light–matter interaction
• Low-energy phenomena
– Photoelectric effect
• Mid-energy phenomena
– Thomson scattering – Compton scattering
• High-energy phenomena
• 1887年，Ｈ•赫兹(Heinrich Hertz，1857— 1894)在进行电磁波实验时，注意到电极之 间的放电，会受光辐射的影响。 • 1888年，德国物理学家霍耳瓦克斯 (W．Hallwacks)用弧光照射带负电的锌板， 发现锌板上的电荷迅速消失；锌板带正电 则无此现象。 • 俄国的斯托列托夫(Stoletov) 更详细地研究 了光电效应。实验表明负电极在弧光照射 下放出了负电荷，形成了电流。
– 强：表面黑色，粗糙 – 弱：表面明亮，光滑
• 黑体：完全吸收辐射－最大辐射能力－黑 体辐射（理想模型）
– 与材料无关 – 实验实现：空腔
黑体和黑体辐射
• 维恩 （1911 Nobel Prize in Physics, On the Laws of Thermal Radiation）
– 用内壁涂黑、打孔的空腔代替黑体： 光从小孔进入腔内－吸收或多次反 射－从小孔逃逸几率～0（完全吸 收） – 空腔辐射～黑体辐射
From left to right: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R.A. Millikan and von Laue at a dinner given by von Laue in Berlin on 11 November 1931
光电效应和爱因斯坦的光量子论
人物及获奖时间
获奖原因
玻尔 1922年
for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them 原子结构理论
人物及获奖时间
获奖原因
"for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect“ 测量电子电荷和光电效应实 验
诺贝尔奖与光学 Nobel Prize and Optics
光的量子性
光量子理论
• 光的粒子性
– 黑体辐射 – 光电效应 – 康普顿散射 – 正负电子的产生和湮灭
• 光的波粒二象性 • 原子的分裂谱线和原子结构
部分与光学有关的诺贝尔奖获得者
人物及获奖时间 获奖原因 in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by 普朗克 his discovery of energy 1918 quanta 能量子 for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery 爱因斯坦 of the law of the photo1921 electric effect 光电效应
光电效应－光电子
光照（紫外光）－金 属－发射电子 实验参数：
光：v， 光强 电流：i， V 材料：不同金属 hv C e V
DC
E
G
E：金属板（光阴级） C：收集电子
光电效应－实验规律
• Uc= K - U0 与入射光强无关
光电子的最大初动能
1 2 m um eU c e K－U 0 2
0
黑体辐射的规律
• 斯忒潘－玻尔兹曼 定律 R (T) = σT4 = 5.6710-8 W/m2K4 • 维恩位移定律 λmax T = C
C=2.898×10-3 m· K 1000K ~ 2.898 μm 6000K ~ 0.5 μm
黑体辐射的规律• 瑞利－金 Nhomakorabea公式8v (T , v)dv 3 dvkT c
Uc(V) 2.0 1.0 Cs Na Ca
im2 im1
0.0 4.0
6.0
-Uc
8.0 10.0 (1014Hz)
• 只有当入射光频率 v大于一定的 频率v0时，才会产生光电 效应
1
U0 m u e ( K U 0 ) Ke Ke 0 K 2
密立根 1923年
威廉· 汤姆逊（开尔文勋爵）
• 在已经建成的科学大厦上，后辈物理学家 只要做一些零碎的修补工作就可以了。 • 在物理学晴朗天空的远处，只有两朵小小 的令人不安的乌云。
《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》 1900年于英国Royal Institution
两朵乌云
• 热辐射实验：紫外灾难 － 量子论 • 迈克耳孙－莫雷实验 ：以太？ －相对论
• 特征：E(v)
– 连续谱（近似）；形状依赖于温度
热辐射
• 特征：E(v)
– T上升， 热辐射功 率增加，vmax增大 （600度，暗红） – 吸收－发射对等： 热平衡下吸收＝发 射
E()
E600K E800K E1000K
0
h ( eV )
1
2
黑体和黑体辐射
• 不同物体辐射（吸收）的本领不同
– Pair production
光电效应
• 现象：赫兹Heinrich Hertz（~1887）、勒纳德 （~1900）（Nobel Prize 1905）、汤姆孙 （~1899）（Nobel Prize 1906） • 理论：爱因斯坦 （1905）（Nobel Prize 1921） • 系统实验：密立根（1904-1914）（Nobel Prize 1923）
2
v增大， ρ 无限增大 （紫外灾难）
• 瑞利：（John William Strutt）尊称瑞利男爵三 世（Third Baron Rayleigh）， 1904年诺贝尔物 理学奖（在研究一些气体的密度中发现了惰性 气体氩）。