國際光日｜光包含無數(shù)光子，聲音里也有聲子嗎？

我們都知道，一束光中包含無數(shù)個光子，那么，一爆炸聲中是否也含有無數(shù)個“聲子”？

這問題有點復雜，是這樣的……

等等！有“聲子”這玩意兒嗎？

早在1932年就有了。

中國科研人員的新發(fā)現(xiàn)

2024年2月，《自然·通訊》雜志發(fā)表了一篇來自中國科學院物理研究所、國家納米科學中心等單位科研人員的研究成果。

圖為三層石墨烯中兩種不同的堆垛構(gòu)型：ABA堆垛和ABC堆垛。

通過研究三層石墨烯的菱形堆垛結(jié)構(gòu)，中國科研人員發(fā)現(xiàn)：在菱形堆垛三層石墨烯中，電子和紅外聲子之間具有強相互作用，這有望應(yīng)用于光電調(diào)制器和光電芯片等領(lǐng)域。

電子和聲子之間的耦合作用是凝聚態(tài)物理長期以來的重要研究課題之一，也是許多新奇物理現(xiàn)象（如低溫超導）的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)在我們知道了：這個世界上不但有聲子，而且聲子還跟很多新奇的物理現(xiàn)象聯(lián)系在一起。

那么，聲子到底是什么？

它真的是一種粒子嗎？

它長什么樣？

它跟聲音、聲波是什么關(guān)系？

……

從光子開始

為了很好地理解聲子的由來，以及它的各種性質(zhì)，咱們不妨先從光子說起。

人類一開始并不認為光是由光子組成的，他們只是單純地認為，光就只是光而已。

正如現(xiàn)在不少人所認為的那樣：

聲音就只是聲音而已，如果再往下具體一點就是，聲音就是一種震動，一種波而已。

很少有人會去想，聲音中是否也可能包含無數(shù)的“聲子”。

后來，古代的一些哲學家開始認為，光可能是由無數(shù)粒子組成的，但這只是一種猜想而已。

這就是最早的“微粒說”，它很好地解釋了，為什么光總是沿著直線前進，且會反射。但無法解釋清楚，為什么兩道光束相互碰撞之后，它們不會繼而分開。

之后，英國物理學家牛頓在前人工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展了光的微粒說。他認為，光是由微小的粒子，也就是光子組成，這些光子具有質(zhì)量和速度，并遵循牛頓運動定律。

1704年，牛頓的光學著作《光學》出版，從此奠定了光的微粒說基礎(chǔ)。

然而這個基礎(chǔ)，很大一部分是由牛頓的巨大名氣加持下獲得的，因為在更早的1678年，惠更斯就明確指出，光是一種波。

1803年，英國物理學家托馬斯·楊進行了大名鼎鼎的光的雙縫干涉實驗，在實驗中，他看到了光通過雙縫后，出現(xiàn)了只有波才有的干涉現(xiàn)象。

于是，托馬斯·楊寫書反對牛頓的微粒說，然而由于牛頓名氣過大，他的反對失敗了。

后來，詹姆斯·麥克斯韋出現(xiàn)了，他通過研究電磁輻射和光，發(fā)現(xiàn)真空中的電磁波會以恒定速度傳播，而且這個速度恰好等于光速。于是，麥克斯韋得出了光是一種電磁波的結(jié)論。

麥克斯韋理論建立之后，德國物理學家海因里?！ず掌澙^續(xù)用不可辯駁的實驗證實了光是一種電磁波。

可以說，幾乎在整個19世紀，物理學的一個重大成果之一，就是波動理論在所有光學和電磁學的現(xiàn)象中得到了驗證。但19世紀末，出現(xiàn)了一個難以解釋的物理現(xiàn)象。

而這個難以解釋的現(xiàn)象就是“光電效應(yīng)”。1887年，赫茲的進一步實驗發(fā)現(xiàn)，紫外線照射到金屬電極上，可以產(chǎn)生電火花。也就是光照能產(chǎn)生電效應(yīng)。

光電效應(yīng)難以使用波動理論解釋，直到1905年，愛因斯坦發(fā)表論文《關(guān)于光產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個啟發(fā)性觀點》，給出了光電效應(yīng)的理論解釋。

愛因斯坦據(jù)此提出光量子假設(shè)，他認為，光束是由一群離散的能量粒子組成，稱為光量子，光束并非連續(xù)性波動。

愛因斯坦提出的光量子后來簡稱為光子。

到此，贊成光是一種波的人，擁有了實驗和理論的強大支持。

而贊成光是一種粒子的人，同樣也擁有了實驗和理論的強大支持。

最終，持續(xù)數(shù)百年的波粒之爭終于逐漸走到尾聲。

人們被迫承認了這么一個事實：

光既存在波的特性，也同時存在粒子的特性，這就是波粒二象性。

正確理解波粒二象性

海浪是一種波，海浪還可以看做是由無數(shù)個點粒子，也就是水分子組成的。那么光是否也這樣呢？

無數(shù)的光子形成波動，而在這波動中，單個的光子表現(xiàn)出粒子性，這就是波粒二象性嗎？

完全不是。

所謂的波粒二象性，其說的是：就算是一個光子，它是波，也同時是粒子！

你把光子想象成一種點粒子，錯！

你把光子想象成一種波，錯！

唯有，你把光子同時想象成波和粒子這種怪物時，才是正確的。

但問題來了，這樣的怪物，人類怎么可能想象得出來？沒錯，幾乎無法想象。正如，我們無法想象：

一顆紫色的白草莓；

一條大河一樣的小蛇；

一只既死又活的貓。

……

這也是“光的波粒之爭”能持續(xù)數(shù)百年的原因之一。

不光是你，歷史上那些鼎鼎大名的科學家，在早期也很難在大腦里清晰地構(gòu)建起這樣的怪物。

也許，我們可以這么說，當下很多人覺得量子力學過于晦澀難懂，其最大的原因可能是：

他們當初在剛剛接觸波粒二象性時，僅僅把“波粒二象性”用在考試上，而非將它徹底融入到自己的認知里。

凝聚態(tài)理論物理學家文小剛曾說：“第四次物理革命是量子革命。這次革命揭示出，我們世界中的真實存在，既不是粒子也不是波，但既是粒子又是波?！?/p>

這就是說，諸如光子、原子、電子等這樣的微觀粒子，它們是一種存在，而過去所認為的“存在”，要么是粒子，要么是一種波，這顯然都是錯的。

量子力學告訴我們，它們的真實存在其實是這樣的：既是粒子同時也是波。這種“存在模式”確實難以想象，但這就是我們目前所知的真實宇宙。

微觀粒子真實的“存在”方式，以人類固有的，經(jīng)過幾十萬年進化的大腦難以想象出來，此時：

要么改變微觀粒子的存在方式，要么改變自己的認知。

顯然，后者才是唯一的道路。

輔助理解“波粒二象性”示意圖，圖片來自Wikipedia，圖片作者為Jean-Christophe BENOIST

聲波的量子化

既然已經(jīng)改變認知，那么對聲子的理解幾乎就是水到渠成了。

聲音是一種波，而人類能聽到的聲波處在宏觀尺度上。

問題來了，宏觀尺度上有聲波，那么微觀尺度上難道就沒有聲波了嗎？

必然是有的。微觀尺度上的“聲波”一般叫做“格波”。

晶體大家很熟悉，它是原子、離子或分子按照一定規(guī)則周期性排列的結(jié)構(gòu)。

晶體內(nèi)這種周期性的結(jié)構(gòu)就叫做“晶格”。

紫水晶是石英的一種，其為二氧化硅晶體，圖片來自Wikipedia。

二氧化硅有多種不同的晶體結(jié)構(gòu)，也就是有不同的晶格，而石英只是其中一種，其他的晶格還有諸如“片狀雙層結(jié)構(gòu)”等。

二氧化硅晶體的片狀雙層結(jié)構(gòu)，俯視圖和側(cè)視圖，圖片來自Wikipedia。

在晶體中，晶格具有周期性，但它并不是靜態(tài)不變的，組成晶格的原子們會存在熱振動現(xiàn)象。晶格的振動就是晶體內(nèi)部所有原子參與的集體彈性振動，從空間周期上來看具有波的形式，因此叫做“晶格波”。

有了“波”，我們就可以聯(lián)想到“粒子”了。沒錯，晶格波的量子化就是本文探討的“聲子”，它們是傳遞晶格熱振動的能量量子，和傳遞光波的能量量子“光子”有些類似。1932年，蘇聯(lián)物理學家首次提出聲子概念。

聲子是一種準粒子

聲子具有能量，行為類似光子、電子等，具有粒子的基本性質(zhì)。而且，聲子還可以形成雙縫干涉條紋，具有波的性質(zhì)。跟光子一樣，其存在模式也是波粒二象性。

然而，聲子不能脫離原子晶格而存在，在真空中，聲子不存在，但光子則可以在真空中存在。

所以目前，人們一般將聲子歸類為一種“準粒子”，我們可以簡單認為它是我們熟悉的那些粒子的某種形式的“替身”，因為特征行為是類似的。

聲子和光子、電子等粒子一樣，具有波粒二象性。所以它們的存在本質(zhì)并無不同。

什么地方能出現(xiàn)，什么地方不能出現(xiàn)，這并不是關(guān)鍵，僅僅是不同粒子各自的性質(zhì)不同而已，而其存在模式是否屬于波粒二象性才是關(guān)鍵。

雖然聲子不像光子、電子那般為大眾所知，然而，對聲子的研究是凝聚態(tài)物理學的重要組成部分。

由于“凝聚態(tài)”領(lǐng)域還存在大量極其吸引人的未知，因此，凝聚態(tài)物理學目前是物理學最為活躍的領(lǐng)域之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，該領(lǐng)域的研究者就占到全世界物理學者整體的近三分之一。

作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國優(yōu)秀科普作品獎”獲得者

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

出品：科普中國

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