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。量子论的诞生使物理学进入了一个新的时代,普朗克因此于1918年获奖。
德裔美国人爱因斯坦1905年进一步确认和发展了普朗克“能量子”的观念,并提出了“光量子说”:光是由一个个能量单体量子组成,这种光量子除了有波的性状之外,还有粒子的发现,从而圆满地解释了光电效应。鉴于这个发现,爱因斯坦荣获了1921年诺贝尔奖。同时,他发展了量子理论,创立了相对论。量子论与相对论一起,导致了20世纪初的物理学大革命。
丹麦人玻尔是经典量子论和现代量子论的创立者之一,1913年把量子化的概念引进原子结构理论,即把爱因斯坦和普朗克的量子论与核式原子概念结合起来,从而解释了原子发射的光谱,荣获1922年诺贝尔奖。此后,他提出电子的波动模型与它的粒子性是互补的,使量子力学的发展由经典量子论进入现代量子论的阶段。
美国人康普顿1922年通过光与电子的散射实验,观测到了光在散射过程中显示出的粒子性,从而证明光是由具有特定频率的能量子——光子组成;1923年发现并解释了X射线与电子撞击时波长的变化,从根本上证明了光不仅是电磁波,也是具有能量动量的粒子,为量子论提供了有力的证据。这个被称为“康普顿效应”的发现获1927年诺贝尔奖。1924年玻色进一步提出,光子是质量为零、自旋量子数为1的粒子。
20世纪初由于光的波动性和光的粒子性都是由可靠的实验所证明,使科学家们“光同时具有粒子性和波动性”的观念得以确立:光既不是像子弹一样经典理论中的质量粒子,也不是像水波一样的经典理论中的波。这就是自然界所表现出来的特征,称为光的波粒二象性。
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