格物致知02——两列光的拍频

以前我曾发布一个帖子《格物致知01——拍频》
　　在那个帖子里面我曾说：
　　——————————————————
　　“拍”现像，在机械和电路中都很常见。
　　所谓“拍”，是指两个频率相近的正弦信号合成的一个较低频变幅信号。这里所说的信号，可以是电信号(电磁振动，通常称为电磁振荡)，也可以是声音信号(机械振动)。
　　——————————————————
　　声音是波，很容易检测到两个频率很接近的声源发出的声音所产生的“拍”现像。这在前一篇帖子里面已经详细叙述过了。

　　但是，光是电磁波，也是一种波。两列频率相近的声波可以产生“拍”现像，两列频率很接近的光波也应该产生“拍”现像。不过，在很长时间里，物理学家并没有能够发现光的“拍”现像，主要的原因，是很难找到两束频率很接近的光。

　　1896年(大清光绪22年)，荷兰物理学家彼得·塞曼(Pieter Zeeman)使用半径约3米的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。随后更精细的光谱分析表明：实际上是谱线发生了分裂，分裂成了若干条几乎贴在一起的谱线。后人称在磁场中原子发光产生的谱线发生分裂的现像为塞曼效应。

图01 彼得·塞曼

　　随后不久，塞曼的老师、荷兰物理学家亨德里克·安东·洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz)应用经典电磁理论对谱线分裂也就是塞曼效应这种现象进行了解释。

图02 亨德里克·安东·洛仑兹

　　1896年，那真是物理学大发现的一年。在这一年，德国维尔茨堡大学物理学教授伦琴宣布发现了X射线(伦琴发现X射线的实验是在前一年11月)。同一年，法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性。发现X射线、发现铀的放射性和发现磁场中谱线分裂，连续占据了前三届诺贝尔物理奖。

　　第一届诺贝尔物理奖在1901年授予伦琴，第二届诺贝尔物理奖在1902年授予塞曼和洛伦兹，第三届诺贝尔物理奖在1903年授予贝克勒尔和法国物理学家居里夫妇。

　　塞曼效应在物理学的发展中起到了非常重要的作用。塞曼效应证实了原子具有磁矩，也证实了原子磁矩空间取向是量子化的。塞曼效应还引出了电子自旋的假说。在天体物理中，我们如何知道太阳黑子具有强磁场？显然不可能到太阳黑子附近去测量，全靠太阳黑子光谱中的塞曼效应。

　　1955年，也就是在塞曼发现磁场中原子发光会产生谱线分裂这种现像之后差不多60年，美国物理学家福雷斯特、古德芒德逊和约逊做了一个实验。他们把一个汞蒸气放电管放在磁场中并令这个汞蒸气放电管发光。由于塞曼效应，汞光谱中一条绿色的谱线分裂成两条频率很接近的谱线，两个频率之差，与磁场强度成正比。两条绿色谱线的平均频率是5.49*10^14Hz，而两条谱线频率之差由调整磁场得到，经光学方法测量得出是10^10Hz。

　　10^10Hz(10的10次方Hz，也就是10GHz)，这是典型的“雷达”频率或“微波”频率，是可以用电子学方法测量的。三位物理学家使两条汞绿色谱线的光投射到一个光电探测器(实际使用的是光电倍增管，一种特殊的真空管)上，这个光电探测器输出的电流显示出含有10^10Hz成份。也就是说，这个光电探测器检测到了两个频率相差10^10Hz的光源所产生的“拍”。

　　这真是一个漂亮的物理实验。

　　我们再深入想一想：光电探测器(实际使用的是光电倍增管)，探测到的是什么？

　　光电倍增管的输出电流随入射到光电倍增管的光通量增加而增加，也就是说，光电倍增管探测的是光通量，而入射光通量就是单位时间通过光电倍增管入射窗的辐射能，就是光的功率。

　　所以，光电倍增管输出电流含有10^10Hz成份，意思就是说，入射到光电倍增管的光功率在变化，光功率变化的频率是10^10Hz。这就是两列光波产生“拍”的物理含义——光功率变化的频率。