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接棒爱因斯坦,德物理学家今揭开光子动量的奥秘-郑州小程序开发

梦之网科技2019-10-06文章动态

又一年诺贝尔奖即将迎来发布,作为历史上最伟大的科学家之一——阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)一生却只获得过一次诺贝尔物理学奖。而他的诺贝尔奖获奖理由,或许是他为人类科学进步提供的众多发现中“最小”的那个——解释了光电效应。

如今,来自德国的物理学家,站在巨人的肩膀上,进一步发现了光子动量的奥秘。

光电效应是物理学中十分重要而又很神奇的一种现象。当光照射到某些物质上时,会引起物质的电性质发生变化(即光生电),这类现象被人们统称为光电效应。这种现象最初由德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在 1887 年发现,他在证实光就是一种电磁波的实验中,注意到这种奇怪的现象。那时,电子还没有被发现。

当时,爱因斯坦还只是伯尔尼专利局里的一个年轻职员,他在 1905 年的论文中给出了光电效应的正确解释。他的理论指出,光是由粒子(光子,photons)组成的,它们只向物质原子中的电子传递量子化的能量。如果光子的能量足够大,它就能把电子踢出原子,进而改变物质的电性质。但在这个过程中,光子的动量会发生怎么样的变化,受限于那个年代的科研条件,爱因斯坦并没有给出进一步的细节理论。

本月初,德国法兰克福大学(又称歌德大学)的物理学家表示能够解答这个问题了。他们为进一步研究光与物质的相互作用,开发并建造了一种新的分光计(spectrometer),其分辨率是以前远远无法达到的。依靠新的设备,他们的实验展示出光子和电子相互作用后动量是如何分布的,并通过灵敏的测量证实了动量的预期守恒,从而证实了相对论。

至此,光电效应的发现、理论解释和当代的实验证实,均被德国科学家或曾经的德籍科学家(爱因斯坦出生在德国)所包揽。

研究团队的论文发表在了最新的Nature Physics杂志上,该实验或许解决了困扰物理学家们 30 多年的问题。科学界一向有着“谁证明了爱因斯坦,甚至他的一部分,谁就能成为当代著名物理学家”的梗,所以法兰克福大学研究团队的这个新发现,引起了物理学界的广泛关注。而作为开创了现代科学技术新纪元的爱因斯坦,其“神话”地位或将在后人的不断证明中愈发提高。

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图 | 法兰克福大学发明的基于“COLTRIMS”原理的实验室设备与论文主要作者 Alexander Hartung(来源:A. Hartung)

特别的实验设备与方法

为了建造出这个特别的实验设备,研究团队花费了大量的时间和精力;而作为论文的主要作者、这项研究的负责人 Alexander Hartung,他在设备的建造过程中做了两回父亲。最终,这个实验新设备的体积达到了 3 米长、2.5 米高,其内部包含的零部件大概和一辆汽车一样多。

目前该设备坐落在法兰克福大学 Riedberg 新区的物理教学楼的实验大厅中,其周围被一个不透明的黑色帐篷所覆盖,里面则有一个性能十分强悍的激光器。激光器发出的光子与设备中的单个氩原子发生碰撞,进而从每个原子中移除一个电子。这些电子出现时的动量,在仪器的长管中会被极其精确地测量出来。

该实验设备是在法兰克福大学发明的 COLTRIMS(Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System,碰撞光学激光测试反应相互作用的动量系统)原理上进一步发展设计而成的,该系统随着新发表的研究发现而闻名世界。它由电离单个原子或破坏分子组成,然后精确地测定粒子的动量。

然而在此之前,通过理论计算预测的光子动量向电子的转移量级是极其小的,以至于过往所有的测量手段都无法实现。因此,Alexander Hartung 在 COLTRIMS 的基础上建立了“超级 COLTRIMS”。应用该设备,Hartung 和他的同事们进而设计了利用两个反向传播的激光脉冲的实验方法,从而满足研究团队对光子动量在强场电离中的作用进行详细的研究。

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图 | 实验方案(来源:A. Hartung)

在 Hartung 研究团队设计的实验方案中,所有面板的横坐标表示光偏振轴 z,纵坐标表示光传播轴 x。图中 a、b、c 的设置可以实现三种不同形式的氩的强场电离:a 和 c 可以让激光从一侧进入交互空间,而 b 则可同时从两侧产生驻波。中间的图 d、e、f 表示获得相应的电子动量分布结果,对于线性光来说,并没有表现出任何由光子动量引起的偏移(也就是说,它们在光中没有表现出任何不对称特征)。由于实验在光偏振轴 z 上的对称性,因此数据在该维度上也是对称的。

文章关键词
奥秘
物理学
法兰克福大学