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接棒愛因斯坦,德物理學家今揭開光子動量的奧秘-鄭州小程序開發

夢之網科技?2019-10-06?文章動態?

又一年諾貝爾獎即將迎來發布,作為歷史上最偉大的科學家之一——阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)一生卻只獲得過一次諾貝爾物理學獎。而他的諾貝爾獎獲獎理由,或許是他為人類科學進步提供的眾多發現中“最小”的那個——解釋了光電效應。

如今,來自德國的物理學家,站在巨人的肩膀上,進一步發現了光子動量的奧秘。

光電效應是物理學中十分重要而又很神奇的一種現象。當光照射到某些物質上時,會引起物質的電性質發生變化(即光生電),這類現象被人們統稱為光電效應。這種現象最初由德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)在 1887 年發現,他在證實光就是一種電磁波的實驗中,注意到這種奇怪的現象。那時,電子還沒有被發現。

當時,愛因斯坦還只是伯爾尼專利局里的一個年輕職員,他在 1905 年的論文中給出了光電效應的正確解釋。他的理論指出,光是由粒子(光子,photons)組成的,它們只向物質原子中的電子傳遞量子化的能量。如果光子的能量足夠大,它就能把電子踢出原子,進而改變物質的電性質。但在這個過程中,光子的動量會發生怎么樣的變化,受限于那個年代的科研條件,愛因斯坦并沒有給出進一步的細節理論。

本月初,德國法蘭克福大學(又稱歌德大學)的物理學家表示能夠解答這個問題了。他們為進一步研究光與物質的相互作用,開發并建造了一種新的分光計(spectrometer),其分辨率是以前遠遠無法達到的。依靠新的設備,他們的實驗展示出光子和電子相互作用后動量是如何分布的,并通過靈敏的測量證實了動量的預期守恒,從而證實了相對論。

至此,光電效應的發現、理論解釋和當代的實驗證實,均被德國科學家或曾經的德籍科學家(愛因斯坦出生在德國)所包攬。

研究團隊的論文發表在了最新的Nature Physics雜志上,該實驗或許解決了困擾物理學家們 30 多年的問題。科學界一向有著“誰證明了愛因斯坦,甚至他的一部分,誰就能成為當代著名物理學家”的梗,所以法蘭克福大學研究團隊的這個新發現,引起了物理學界的廣泛關注。而作為開創了現代科學技術新紀元的愛因斯坦,其“神話”地位或將在后人的不斷證明中愈發提高。

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圖 | 法蘭克福大學發明的基于“COLTRIMS”原理的實驗室設備與論文主要作者 Alexander Hartung(來源:A. Hartung)

特別的實驗設備與方法

為了建造出這個特別的實驗設備,研究團隊花費了大量的時間和精力;而作為論文的主要作者、這項研究的負責人 Alexander Hartung,他在設備的建造過程中做了兩回父親。最終,這個實驗新設備的體積達到了 3 米長、2.5 米高,其內部包含的零部件大概和一輛汽車一樣多。

目前該設備坐落在法蘭克福大學 Riedberg 新區的物理教學樓的實驗大廳中,其周圍被一個不透明的黑色帳篷所覆蓋,里面則有一個性能十分強悍的激光器。激光器發出的光子與設備中的單個氬原子發生碰撞,進而從每個原子中移除一個電子。這些電子出現時的動量,在儀器的長管中會被極其精確地測量出來。

該實驗設備是在法蘭克福大學發明的 COLTRIMS(Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System,碰撞光學激光測試反應相互作用的動量系統)原理上進一步發展設計而成的,該系統隨著新發表的研究發現而聞名世界。它由電離單個原子或破壞分子組成,然后精確地測定粒子的動量。

然而在此之前,通過理論計算預測的光子動量向電子的轉移量級是極其小的,以至于過往所有的測量手段都無法實現。因此,Alexander Hartung 在 COLTRIMS 的基礎上建立了“超級 COLTRIMS”。應用該設備,Hartung 和他的同事們進而設計了利用兩個反向傳播的激光脈沖的實驗方法,從而滿足研究團隊對光子動量在強場電離中的作用進行詳細的研究。

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圖 | 實驗方案(來源:A. Hartung)

在 Hartung 研究團隊設計的實驗方案中,所有面板的橫坐標表示光偏振軸 z,縱坐標表示光傳播軸 x。圖中 a、b、c 的設置可以實現三種不同形式的氬的強場電離:a 和 c 可以讓激光從一側進入交互空間,而 b 則可同時從兩側產生駐波。中間的圖 d、e、f 表示獲得相應的電子動量分布結果,對于線性光來說,并沒有表現出任何由光子動量引起的偏移(也就是說,它們在光中沒有表現出任何不對稱特征)。由于實驗在光偏振軸 z 上的對稱性,因此數據在該維度上也是對稱的。

文章關鍵詞
奧秘
物理學
法蘭克福大學
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