中国科普博览

作者：罗会仟中国科学院物理研究所

上帝说：要有光！于是有了光。大地有了一片光明，人间充满无限欢腾。可是万能的上帝遗留给人类一个极其困惑的问题——光是什么？千百年来，无数学者哲人深深陷入这个问题苦苦思索，这个问题的答案几乎囊括了人类史上最聪明的智慧。不过，它在中国的面目可以简化为一道高考选择题，如下：
[选择题]光是什么？
选项：A. 光是粒子； B.光是波；C.光既是粒子也是波；D.光既不是粒子也不是波；E.以上答案均正确；F.楼上都在瞎掰；G.楼主是个传说；……？
给出答案分布：70后当年大部分选C，他们认为理解了光，早晨八九点钟的太阳——前途有光；80后当年对前途是光明还是黑暗比较困惑，选C的有一半选D的也有一半，纠结啊；90后呢，每个选项都有人选，并且在选项D后面加上了E项和F项，然后阅卷老师再加了个G项，阅卷领导加了个省略号和问号。标准答案是……，谁知道？！
我们还是来看看历史上的牛人怎么解答的吧！
先看看咱们的墨家军，中国的墨子和他的弟子们早在公元前400多年前就做了光的小孔成像实验，并解释了物体和投影的关系原理——光的直线传播。喜欢讨论的问题的古希腊人对光同样充满好奇，毕达哥拉斯最早把光解释为光源向四周发射的一种东西，遇到障碍物即被弹开，弹入人眼即让人感觉到了最后一个将光弹开的障碍物。而后托勒密在《光学》一书描述了光的折射现象，达芬奇也描述过光的反射现象等并试图做出解释，而后开普勒及斯涅耳的实验给出了光的折射定律的数据，只是，他们并没有发表。直到数学家笛卡尔在《屈光学》提出了光的折射定律的数学几何形式表达，他同时留下了对光的两种可能解释。一是说光是类似于微粒的物质；二是说光是一种以“以太”为媒质的压力，即可能是波。光究竟是什么？成了遗留给后人的问题。
光可能是波，意大利数学家格里马蒂如是说。他让一束光穿过两个小孔并投影到暗室屏幕上，结果在发现在投影屏幕上有明暗相间的条纹。这和水波的衍射非常相似，说明了光的波动性。他还认为物体之所以显现不同颜色是因为有着不同频率的光。

光应该是波，英国物理学家胡克如是说。因为他用肥皂泡和薄云母重复了格里马蒂的实验，他认为“光是以太的一种纵向波”，而且光的颜色就和其频率有关。
光怎么会是波，明明是粒子嘛，英国物理学家牛顿如是说。1666年牛顿在家休假躲避黑死病，没事玩起了三棱镜，他发现一束白光可以分成不同颜色的光，而不同的单色光也可以合成还原成白光，为此他成功解释的光的色散现象。（见[水煮物理](12)：好“色”之徒）牛顿的分光实验让光学从几何光学跨入到了物理光学。牛顿认为光应该是由微粒组成，并且走最快速直线路径，光的分解和合成就是不同颜色的微粒分开和混合的结果。

棱镜分光与光的颜色

于是解答这个问题伊始就有了两大门派——“波动说”和“微粒说”。其实牛顿在开始时并不特别反对波动说，但“微粒说”对胡克等前人的“波动说”发起了挑战，这让胡克很不爽，直接结果就是胡克拉着波义耳等一起枪毙了牛顿关于光的颜色的论文，而牛顿也不甘示弱，在以后的论文里不断提出对“波动说”的反驳。这些争论最终导致了牛顿和胡克的终身私人仇恨，牛人相斗，两败俱伤。胡克说牛顿的一些研究是以他的研究为基础的，牛顿便冷笑道：“那么说我就是站在巨人的肩膀上了哈！”（好像胡克并不高？）胡克很郁闷地在牛顿的冷嘲热讽中度过了下半辈子。还是荷兰人惠更斯比较懂学术政治，他先是作为院士和领导牛顿在剑桥相会讨论光的本质问题，话说两人是相互久仰、惺惺相惜。可他心里已经发现许多现象不能用“微粒说”来解释，并暗暗转向了“波动说”。惠更斯一回去便做了一系列实验并提出了光的波动说的完整理论。他认为光是靠物质载体“以太”来传播的纵向机械波，并成功解释了光的反射、折射、双折射、衍射等现象。1678年，惠更斯出版了《光论》并公开演说反对微粒说。老牛很生气，后果很严重。作为当时全世界最聪明的人，牛顿很快也找到了波动说的脉门，并且用微粒说更美好地解释了光的现象，他还把物质微粒观推广到整个自然界，很合他的质点动力学的胃口。这些理论写在了他的《光学》一书里，为了避免再被胡克等人枪毙的危险，这书直到胡克去世两年后才出版。很不幸的是，惠更斯那时也已不在人世，“波动派”便衰微不振。牛顿利用他在力学上的卓越声望，轻松地把“微粒派”发展壮大一统江湖。虽然不是千秋万载，却统治了整个十八世纪，这就是权威的力量。

杨氏双缝干涉实验

历史的车轮总是滚滚向前的，在新自然哲学思潮下，权威也未必不被人怀疑。1800年-1807年，托马斯.杨再次扛起了波动说的大旗。作为新一代掌门，杨用物理学最有力的研究方法——理论预言加实验验证然后再理论解释逐渐完善了波动说。杨首先把光和声波进行对比，认为光同样存在叠加后增强或减弱的现象——光的干涉。他做了著名的杨氏双缝干涉实验：让一束单色光穿过小孔衍射到另两个小孔上，在小孔另一侧接收屏上观察到了明暗相间的条纹。这是证明光的波动性的关键实验，可惜最初杨的解释并不正确，因为他认为光波和声波一样都是纵波（传播方向和振动方向在平行），而明暗相间的干涉条纹来自于入射波和反射波的叠加。公然和权威对抗总是艰难的，挺牛顿的微粒派弟子立马抓住波动说的小辫子加以反驳甚至诽谤杨同学。比如拉普拉斯同学就用微粒说详细分析了光的双折射现象，用以驳斥波动说；而马吕斯和布儒斯特从实验上发现了光的偏振现象并给出了偏振定律，即光在沿传播路径上的振动方向是不对称的，这是纵波里不可能出现的情况。杨同学很郁闷，但并没有放弃，他仰头看看惠更斯祖师爷，终于下决心迈出了更加理论上的关键一步：光不是纵波，而是横波（传播方向与振动方向垂直）。这么一来就清楚多了，光的偏振也不再神秘，因为振动方向和传播方向垂直，故完全允许其呈不对称，偏振正是横波波动性的力证！这一招“以彼之道、还施彼身”击中微粒说要害，而微粒派再也没有牛顿这样的牛人出来说话了。十年后，法国的土木工程师菲涅尔发挥业余兴趣，从理论上给出了光的干涉预言，并在了解托马斯.杨的工作之后进行了实验验证，成功建立了光的横向传播理论。之后，德国天文学家夫琅和费用光栅做了光的衍射实验，施维尔德对其结果进行了很好的波动说解释。波动派终于东山再起，不仅成了江湖主流，而且还不断发扬光大。19世纪后期，法拉第等人对电磁学的深入研究让人们初步形成一个概念：光其实就是一种电磁波。1872年，麦克斯韦用四个方程完美地统一解释了所有电磁学现象，并且由此可以推论出电磁波的存在，且以光速传播，我们看到的可见光实际上不过是电磁波的一种。1888年德国的赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在！光不仅仅是波，而且是电磁波，除了光之外，无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等等都是电磁波，它们之间的区别在于频率不同而已。光的波动说至此可谓达到了完美。

可是，再完美的学说也有瑕疵，人们始终为一个问题而困惑：既然光是波，那么传播光的载体是什么？笛卡尔老祖宗说是以太，好吧，那么以太是什么？怎么我们人类看不到？以太，英文Ether，来自希腊语，原意指的是天上诸神呼吸的空气，康有为和谭嗣同等认为以太是无色、无味、无声、无所不在于宇宙间的物质，孔子的“仁”、墨子的“兼爱”、佛教的“慈悲”、基督教的“灵魂”等都是以太的作用所致（以太简直比孔圣人、佛祖、上帝都还要牛！）。简而言之，以太就是前无古人后无来者的最最神秘的物质，寻找以太的过程也充满着哲学和宗教的意味，以太成了19世纪的物理学家们最为津津乐道的话题。根据已知的光的性质，大家猜测以太是一种传播横波的固体介质，它是一个绝对静止的参照系。但是由此以来，固态的以太则可能影响天体的自由运动，而横向的振动也很可能引起纵向的振动。关键时刻还是需要实验来说话，英国迈克尔逊和莫雷在1887年做了所谓的“以太漂移”实验。这是一个非常精巧的实验。如果地球是相对于绝对静止的以太运动，那么若光线沿此运动方向传播则是光速和地球运动速度的叠加，而沿着垂直该方向传播的速度则要小一些。他们将一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光，通过测量两束光的形成的干涉条纹数目，可以精确地得到两者的光程差，进一步得到两束光的速度差别。因此，只要将干涉仪沿着不同方向测量，就可以判断地球相对于以太运动的速度方向和大小。结果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向几乎不变，换句话说，以太是不存在的！人们开始惶然不知所措。事实上，在尚未知迈克尔逊-莫雷实验结果之前，瑞士某专利局的一名小职员就指出，如果放弃所谓绝对时间之类的概念，那么绝对静止的参照系——以太的概念也可以扔掉。人们要接受光速不变原理，那么就可以得到物体在接近光速情况下高速运动的物理学，在那里运动的钟会变慢，运动的尺子会缩短。这个新物理学叫相对论，那位叫爱因斯坦的小职员作为20世纪最为卓越的物理学家开创了现代物理新世界，——此为后话。

迈克尔逊-莫雷的“以太漂移”实验（From 百度百科）

波动说的烦恼还不仅仅在于找不到“以太”这个载体，更可怕的乌云一朵接一朵地飘来。赫兹的实验还有另一个现象，当用紫外线照射两个金属球时，电火花似乎更易出来，即光对金属的照射可以产生电子。这就是光电效应的发现，爱因斯坦后来对其做出了解释，他认为光以粒子形式入射到金属上，金属电子将吸收其能量并逃逸出来。光的微粒说再次浮出水面！爱因斯坦把光的微粒叫做“光子”。光子的概念并不是他的原创，而来自于德国的普朗克对黑体辐射的解释。之前对于黑体辐射的研究，瑞利和金斯用理论解释大部分波段的辐射曲线，然而在紫外波段则遇到了灾难性的违反实验结果。最严重的问题是，人们用如此完美的电磁学理论却怎么也解释不了一个简单的黑体辐射谱，光的波动说再次遇到了障碍。普朗克通过引入一个新的概念——把光的能量分成不连续的一份一份的，每一份叫做能量的“量子”，通过统计能量量子的分布，就可以得到完全符合实验谱线的黑体辐射理论公式。把能量看成不连续的量子化，这在当时绝大部分科学家心目中是不能接受的。普朗克也因为引入能量量子而心中不安，他甚至内疚地认为不应该对经典的电磁理论提出质疑，因为它是那么地完美无瑕。只有年轻大胆的爱因斯坦，不仅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解释光电效应。新的光的微粒说——光的量子说由此诞生。新生事物往往很难为人接受，美国的密里根为此做了整整十年的实验，试图否定光的量子说，然后在1915年他公布的实验结果却是证实了光量子的存在，同时也测定出了普朗克常数（这个常数和光子频率的乘积就是量子化的光子能量）。如果光具有量子化的粒子性，那么其他电磁波会如何？1923年，康普顿发现x射线被电子散射后频率会变小，即x射线也有粒子性。更有趣的问题是，那原先人们认为是粒子的电子等会不会有波动性呢？1927年，杰默尔和汤姆森先后证实了电子束的波动性质，随后人们还发现氦原子射线、氢原子和氢分子射线均具有波的性质。事实上，如果让可见光、x射线、电子甚至中子穿过合适的物质都可能发生衍射现象，即波强度在存在增强和减弱的效应，而“合适”的物质，实际就是其间隙和射线的波长相比拟——这正是波发生衍射的条件。这下麻烦更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，还是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？彻底把大伙儿给搞糊涂了。

正是在粒子和波的一片混乱之中，物理学迎来了史上最伟大的一场革命——量子力学诞生了。早在1913年，玻尔就用量子化的能量概念成功解释了原子的行星模型，即电子绕原子核运动的能量也是不连续的，只能在某些固定能量轨道上运动。1924年，法国的德布罗意提出了波粒二象性的概念，不只是光具有波粒二象性，几乎所有微观粒子或者电磁波都是如此，粒子的能量等于普朗克常数乘以其波动频率，粒子的动量等于普朗克常数除以其波长。这么一来，粒子就是波，波就是粒子，两者是同一物体上的两种属性而已。既然所有的微观粒子都具有波动性，那么它们应该满足的动力学定律如何？1925年，德国的海森堡和玻尔一起成功建立起了微观粒子的矩阵力学，不过那个年代人们对矩阵这个数学工具还很陌生，于是次年奥地利的薛定谔捣腾出了一个方程——薛定谔方程，得出了波动力学，之后英国的狄拉克把两者统一一起来，后来人们便称之为量子力学。量子力学说的是什么？它把微观粒子的能量看成量子化的，粒子的运动行为可以用波函数进行描述。波函数是什么？德国的玻恩给出了波函数的统计解释，波函数的模方（波函数是个复数）代表粒子在某一时刻某一位置出现的几率，也就是说即使两个粒子处于完全相同的状态并对其进行相同的测量，测量的结果也是按照波函数呈一定几率分布的，这就是微观粒子的粒子性；而作为复数的波函数本身带有相位，即两束粒子相互作用还存在相位相干效应，这将导致相互作用后其空间分布几率并非简单的线性叠加而是某些地方会增强，某些地方会减弱，这就是微观粒子的波动性，由此很好地解释了干涉和衍射等波动现象。现在的先进实验手段，不仅验证了波函数的存在，也说明了许多微观粒子的波动性，如用原子构成“量子围栏”可以看到中间的驻波。
于是，一切皆是粒子，一切又皆是波。关于光的粒子说和波动说的论战逐渐变成了遥远的传说，只在历史的长河上，留下了无数智者的身影，照耀着后人的前行。

【参考资料】（由于是搜索来的网络文章，很难找到源头出处，这里给出几个链接，见谅！）：
1、光的本质——波动说与微粒说的交锋http://www.hzjys.net/xkweb/zxwuli/Article/Class13/200405/212_2.html
2、光的波粒二象性发现http://www.csxsxx.com/zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/zutiweb/zu43/029.htm
3、光的发展史
http://www.vnetedu.com/edu/index_3.jsp?id=239

【篇后注】关于光的本质的争论是物理学史上最为著名的论战之一，论战参与者几乎都是当时最为权威或是最聪明的物理学家。如此的争论往往是对物理学的极大促进和发展，如关于以太的是否存在的思考和对经典电磁学的发展诞生了相对论，而关于粒子的波动性的论证催生了量子力学，掀起了二十世纪初物理学上最伟大的一场革新。电磁学的研究开创了自19世纪以来的电器时代，而量子力学则更深地影响了近现代人们的生产和生活，如今几乎所有电器都要用到半导体等基于量子力学原理的器件，而这仅仅是量子力学应用范围的极小的一部分。同样，这场争论极大地促进了人们对光和微观粒子的理解和认识，也为物理学研究带来了许多有力的工具。现代物理学中用x射线、电子和中子等作为探测工具，研究其通过材料后的散射行为，通过分析衍射图样就可以了解材料的原子排布、磁性排布、电子分布等信息。又如光电效应，现在已经发展为一系列的光电子能谱技术，可以直接获得材料中的电子的能量和动量分布等信息，对材料的电磁特性可以给出微观的机理解释。可以说，如果没有对光的本质的论战，也许将不会诞生今天如此辉煌的物理学。物理史上类似的讨论还有很多，如关于爱因斯坦场方程宇宙学常数是否存在的问题。最近几年观测到暗物质和暗能量说明我们对宇宙的了解还是极其可怜地少，其中就涉及宇宙学常数的本质问题。新一轮的大讨论正在延续，我们也期待着物理学更为壮丽的革新。

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[水煮物理]之:是粒子，还是波？都是传说！

罗会仟