Light & Coherence part 1: Temporal Coherence

Summary

本视频深入探讨了光的波粒二象性，从历史角度回顾了光作为粒子和波的争论起源，并详细解释了光的量子化概念，即光子。通过分析光电效应和光的发射过程，视频阐述了光子作为能量量子化的表现，并非实际的粒子。此外，视频还探讨了光的相干性，包括时间相干性和空间相干性，并通过实验展示了如何测量光源的相干长度。最后，视频指出光的非均匀能量分布是波现象的直接结果，尤其是与相干性相关的波现象。

Takeaways

• 🌟 光既表现出粒子性质也表现出波动性质，这是量子物理学中的波粒二象性。
• 👀 历史上，关于光是波还是粒子的争论由来已久，从17世纪末开始，经历了牛顿和惠更斯的不同理论。
• 📚 托马斯·杨通过双缝实验展示了光的波动性，而麦克斯韦的工作进一步证明了光是一种电磁波。
• 🌐 爱因斯坦通过光电效应实验提出了光量子假说，即光由不可分割的能量量子（即光子）组成。
• 🔬 光电效应实验表明，光的能量是分立的，并且与光的频率直接相关，而不是光的强度。
• 💡 光子不是爱因斯坦发明的概念，而是由吉尔伯特·路易斯提出，用以描述辐射过程中不可或缺的假想原子。
• 🌈 光的粒子观由于爱因斯坦的再引入而引起了许多混淆，但光的本质可能更多地与波动现象相关。
• 🕒 时域相干性与光的颜色或频率有关，而空域相干性则与光源的几何形状和波长等有关。
• 🔍 通过米歇尔逊干涉仪实验可以观察和测量光源的相干长度，这有助于理解光的时域相干性。
• 📊 实验显示，激光二极管在不同的工作模式下（自发辐射与受激发射）具有显著不同的相干长度。
• 🚀 视频的目标是通过波动现象来解释光的性质，而不是单纯依赖粒子模型，以期达到更深入的理解。

Q & A

光是由什么构成的？

光由一种称为光子的离散能量包组成，表现出波粒二象性，即同时具有波动性和粒子性。

什么实验首次证明了光的波动性？

托马斯·杨的双缝实验首次证明了光的波动性。

光的粒子性是如何被重新认识的？

通过阿尔伯特·爱因斯坦关于光的生产和转换的论文，他提出光是由空间定位的能量量子组成，这些观点基于光电效应的实验结果。

什么是光电效应？

光电效应是指当光照射到金属表面时，能够将电子从金属表面逸出的现象。这一现象表明光的能量是量化的。

什么是光子，并且谁首次引入了这个概念？

光子是表示光的能量量子的术语，最初由吉尔伯特·路易斯在1926年引入，用于描述在任何辐射过程中发挥基本作用的假想新原子。

为什么会说光具有波粒二象性？

因为光既表现出波动性（如双缝实验中的干涉现象）又表现出粒子性（如光电效应中的量子化能量转移），因此光被认为同时具有波动和粒子的特性。

什么是相干性以及光的相干性有哪两种基本类型？

相干性描述了波动在空间和时间上的同步程度。光的相干性有两种基本类型：时间相干性和空间相干性。

时间相干性是什么意思？

时间相干性与波源发射的光的频谱带宽有关，描述的是波动在时间上的同步程度，即在特定时间间隔内波的频率保持不变的特性。

空间相干性是什么意思？

空间相干性描述了在波前的横向方向上，波的相位或振幅在空间上的一致性，即不同位置的波动是如何同步的。

什么是米氏干涉仪，它是如何用来测量光的相干性的？

米氏干涉仪是一种实验设备，通过分裂光束并让其沿不同路径传播后再次合并，来观察由于路径差引起的干涉图样。通过改变两条路径的长度差，可以测量光源的相干长度，从而了解光的时间相干性。