【前沿物理】光是什麼?是粒子,還是波?都是傳說!

上帝說：要有光！於是有了光。大地有了一片光明，人間充滿無限歡騰。可是萬能的上帝遺留給人類一個極其困惑的問題——光是什麼？千百年來，無數學者哲人深深陷入這個問題苦苦思索，這個問題的答案幾乎囊括了人類史上最聰明的智慧。不過，它在中國的面目可以簡化為一道高考選擇題，如下：

[選擇題]光是什麼？

　

選項：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.以上答案均正確；F.樓上都在瞎掰；G.樓主是個傳說；……？

　 給出答案分布：70後當年大部分選C，他們認為理解了光，早晨八九點鐘的太陽——前途有光；80後當年對前途是光明還是黑暗比較困惑，選C的有一半選D的也有一半，糾結啊；90後呢，每個選項都有人選，並且在選項D後面加上了E項和F項，然後閱卷老師再加了個G項，閱卷領導加了個省略號和問號。標準答案是……，誰知道？！

　

我們還是來看看歷史上的牛人怎麼解答的吧！

　

先看看咱們的墨家軍，中國的墨子和他的弟子們早在公元前400多年前就做了光的小孔成像實驗，並解釋了物體和投影的關係原理——光的直線傳播。喜歡討論的問題的古希臘人對光同樣充滿好奇，畢達哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發射的一種東西，遇到障礙物即被彈開，彈入人眼即讓人感覺到了最後一個將光彈開的障礙物。而後託勒密在《光學》一書描述了光的折射現象，達文西也描述過光的反射現象等並試圖做出解釋，而後克卜勒及斯涅耳的實驗給出了光的折射定律的數據，只是，他們並沒有發表。直到數學家笛卡爾在《屈光學》提出了光的折射定律的數學幾何形式表達，他同時留下了對光的兩種可能解釋。一是說光是類似於微粒的物質；二是說光是一種以「以太」為媒質的壓力，即可能是波。光究竟是什麼？成了遺留給後人的問題。

　

光可能是波，義大利數學家格裡馬蒂如是說。他讓一束光穿過兩個小孔並投影到暗室屏幕上，結果在發現在投影屏幕上有明暗相間的條紋。這和水波的衍射非常相似，說明了光的波動性。他還認為物體之所以顯現不同顏色是因為有著不同頻率的光。

光應該是波，英國物理學家胡克如是說。因為他用肥皂泡和薄雲母重複了格裡馬蒂的實驗，他認為「光是以太的一種縱向波」，而且光的顏色就和其頻率有關。

　

光怎麼會是波，明明是粒子嘛，英國物理學家牛頓如是說。1666年牛頓在家休假躲避黑死病，沒事玩起了三稜鏡，他發現一束白光可以分成不同顏色的光，而不同的單色光也可以合成還原成白光，為此他成功解釋的光的色散現象。（見[水煮物理](12)：好「色」之徒）牛頓的分光實驗讓光學從幾何光學跨入到了物理光學。牛頓認為光應該是由微粒組成，並且走最快速直線路徑，光的分解和合成就是不同顏色的微粒分開和混合的結果。

稜鏡分光與光的顏色

　 於是解答這個問題伊始就有了兩大門派——「波動說」和「微粒說」。其實牛頓在開始時並不特別反對波動說，但「微粒說」對胡克等前人的「波動說」發起了挑戰，這讓胡克很不爽，直接結果就是胡克拉著波義耳等一起槍斃了牛頓關於光的顏色的論文，而牛頓也不甘示弱，在以後的論文裡不斷提出對「波動說」的反駁。

這些爭論最終導致了牛頓和胡克的終身私人仇恨，牛人相鬥，兩敗俱傷。胡克說牛頓的一些研究是以他的研究為基礎的，牛頓便冷笑道：「那麼說我就是站在巨人的肩膀上了哈！」（好像胡克並不高？）胡克很鬱悶地在牛頓的冷嘲熱諷中度過了下半輩子。還是荷蘭人惠更斯比較懂學術政治，他先是作為院士和領導牛頓在劍橋相會討論光的本質問題，話說兩人是相互久仰、惺惺相惜。可他心裡已經發現許多現象不能用「微粒說」來解釋，並暗暗轉向了「波動說」。

惠更斯一回去便做了一系列實驗並提出了光的波動說的完整理論。他認為光是靠物質載體「以太」來傳播的縱向機械波，並成功解釋了光的反射、折射、雙折射、衍射等現象。1678年，惠更斯出版了《光論》並公開演說反對微粒說。老牛很生氣，後果很嚴重。作為當時全世界最聰明的人，牛頓很快也找到了波動說的脈門，並且用微粒說更美好地解釋了光的現象，他還把物質微粒觀推廣到整個自然界，很合他的質點動力學的胃口。這些理論寫在了他的《光學》一書裡，為了避免再被胡克等人槍斃的危險，這書直到胡克去世兩年後才出版。很不幸的是，惠更斯那時也已不在人世，「波動派」便衰微不振。牛頓利用他在力學上的卓越聲望，輕鬆地把「微粒派」發展壯大一統江湖。雖然不是千秋萬載，卻統治了整個十八世紀，這就是權威的力量。

楊氏雙縫幹涉實驗

　 歷史的車輪總是滾滾向前的，在新自然哲學思潮下，權威也未必不被人懷疑。1800年-1807年，託馬斯.楊再次扛起了波動說的大旗。作為新一代掌門，楊用物理學最有力的研究方法——理論預言加實驗驗證然後再理論解釋逐漸完善了波動說。

楊首先把光和聲波進行對比，認為光同樣存在疊加後增強或減弱的現象——光的幹涉。他做了著名的楊氏雙縫幹涉實驗：讓一束單色光穿過小孔衍射到另兩個小孔上，在小孔另一側接收屏上觀察到了明暗相間的條紋。這是證明光的波動性的關鍵實驗，可惜最初楊的解釋並不正確，因為他認為光波和聲波一樣都是縱波（傳播方向和振動方向在平行），而明暗相間的幹涉條紋來自於入射波和反射波的疊加。公然和權威對抗總是艱難的，挺牛頓的微粒派弟子立馬抓住波動說的小辮子加以反駁甚至誹謗楊同學。

比如拉普拉斯同學就用微粒說詳細分析了光的雙折射現象，用以駁斥波動說；而馬呂斯和布儒斯特從實驗上發現了光的偏振現象並給出了偏振定律，即光在沿傳播路徑上的振動方向是不對稱的，這是縱波裡不可能出現的情況。楊同學很鬱悶，但並沒有放棄，他仰頭看看惠更斯祖師爺，終於下決心邁出了更加理論上的關鍵一步：光不是縱波，而是橫波（傳播方向與振動方向垂直）。這麼一來就清楚多了，光的偏振也不再神秘，因為振動方向和傳播方向垂直，故完全允許其呈不對稱，偏振正是橫波波動性的力證！這一招「以彼之道、還施彼身」擊中微粒說要害，而微粒派再也沒有牛頓這樣的牛人出來說話了。

十年後，法國的土木工程師菲涅爾發揮業餘興趣，從理論上給出了光的幹涉預言，並在了解託馬斯.楊的工作之後進行了實驗驗證，成功建立了光的橫向傳播理論。之後，德國天文學家夫琅和費用光柵做了光的衍射實驗，施維爾德對其結果進行了很好的波動說解釋。波動派終於東山再起，不僅成了江湖主流，而且還不斷發揚光大。19世紀後期，法拉第等人對電磁學的深入研究讓人們初步形成一個概念：光其實就是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程完美地統一解釋了所有電磁學現象，並且由此可以推論出電磁波的存在，且以光速傳播，我們看到的可見光實際上不過是電磁波的一種。1888年德國的赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在！光不僅僅是波，而且是電磁波，除了光之外，無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等等都是電磁波，它們之間的區別在於頻率不同而已。光的波動說至此可謂達到了完美。

可是，再完美的學說也有瑕疵，人們始終為一個問題而困惑：既然光是波，那麼傳播光的載體是什麼？笛卡爾老祖宗說是以太，好吧，那麼以太是什麼？怎麼我們人類看不到？

以太，英文Ether，來自希臘語，原意指的是天上諸神呼吸的空氣，康有為和譚嗣同等認為以太是無色、無味、無聲、無所不在於宇宙間的物質，孔子的「仁」、墨子的「兼愛」、佛教的「慈悲」、基督教的「靈魂」等都是以太的作用所致（以太簡直比孔聖人、佛祖、上帝都還要牛！）。簡而言之，以太就是前無古人後無來者的最最神秘的物質，尋找以太的過程也充滿著哲學和宗教的意味，以太成了19世紀的物理學家們最為津津樂道的話題。

根據已知的光的性質，大家猜測以太是一種傳播橫波的固體介質，它是一個絕對靜止的參照系。但是由此以來，固態的以太則可能影響天體的自由運動，而橫向的振動也很可能引起縱向的振動。關鍵時刻還是需要實驗來說話，英國麥可遜和莫雷在1887年做了所謂的「以太漂移」實驗。這是一個非常精巧的實驗。如果地球是相對於絕對靜止的以太運動，那麼若光線沿此運動方向傳播則是光速和地球運動速度的疊加，而沿著垂直該方向傳播的速度則要小一些。他們將一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光，通過測量兩束光的形成的幹涉條紋數目，可以精確地得到兩者的光程差，進一步得到兩束光的速度差別。因此，只要將幹涉儀沿著不同方向測量，就可以判斷地球相對於以太運動的速度方向和大小。

結果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向幾乎不變，換句話說，以太是不存在的！人們開始惶然不知所措。事實上，在尚未知麥可遜-莫雷實驗結果之前，瑞士某專利局的一名小職員就指出，如果放棄所謂絕對時間之類的概念，那麼絕對靜止的參照系——以太的概念也可以扔掉。人們要接受光速不變原理，那麼就可以得到物體在接近光速情況下高速運動的物理學，在那裡運動的鐘會變慢，運動的尺子會縮短。這個新物理學叫相對論，那位叫愛因斯坦的小職員作為20世紀最為卓越的物理學家開創了現代物理新世界，——此為後話。

麥可遜-莫雷的「以太漂移」實驗（From 百度百科）

　 波動說的煩惱還不僅僅在於找不到「以太」這個載體，更可怕的烏雲一朵接一朵地飄來。赫茲的實驗還有另一個現象，當用紫外線照射兩個金屬球時，電火花似乎更易出來，即光對金屬的照射可以產生電子。這就是光電效應的發現，愛因斯坦後來對其做出了解釋，他認為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子將吸收其能量並逃逸出來。光的微粒說再次浮出水面！愛因斯坦把光的微粒叫做「光子」。

光子的概念並不是他的原創，而來自於德國的普朗克對黑體輻射的解釋。之前對於黑體輻射的研究，瑞利和金斯用理論解釋大部分波段的輻射曲線，然而在紫外波段則遇到了災難性的違反實驗結果。最嚴重的問題是，人們用如此完美的電磁學理論卻怎麼也解釋不了一個簡單的黑體輻射譜，光的波動說再次遇到了障礙。普朗克通過引入一個新的概念——把光的能量分成不連續的一份一份的，每一份叫做能量的「量子」，通過統計能量量子的分布，就可以得到完全符合實驗譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續的量子化，這在當時絕大部分科學家心目中是不能接受的。

普朗克也因為引入能量量子而心中不安，他甚至內疚地認為不應該對經典的電磁理論提出質疑，因為它是那麼地完美無瑕。只有年輕大膽的愛因斯坦，不僅勇於接受了能量量子的概念，而且成功用於解釋光電效應。新的光的微粒說——光的量子說由此誕生。新生事物往往很難為人接受，美國的密裡根為此做了整整十年的實驗，試圖否定光的量子說，然後在1915年他公布的實驗結果卻是證實了光量子的存在，同時也測定出了普朗克常數（這個常數和光子頻率的乘積就是量子化的光子能量）。

如果光具有量子化的粒子性，那麼其他電磁波會如何？1923年，康普頓發現x射線被電子散射後頻率會變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問題是，那原先人們認為是粒子的電子等會不會有波動性呢？1927年，傑默爾和湯姆森先後證實了電子束的波動性質，隨後人們還發現氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質。事實上，如果讓可見光、x射線、電子甚至中子穿過合適的物質都可能發生衍射現象，即波強度在存在增強和減弱的效應，而「合適」的物質，實際就是其間隙和射線的波長相比擬——這正是波發生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？徹底把大伙兒給搞糊塗了。

正是在粒子和波的一片混亂之中，物理學迎來了史上最偉大的一場革命——量子力學誕生了。早在1913年，玻爾就用量子化的能量概念成功解釋了原子的行星模型，即電子繞原子核運動的能量也是不連續的，只能在某些固定能量軌道上運動。1924年，法國的德布羅意提出了波粒二象性的概念，不只是光具有波粒二象性，幾乎所有微觀粒子或者電磁波都是如此，粒子的能量等於普朗克常數乘以其波動頻率，粒子的動量等於普朗克常數除以其波長。

這麼一來，粒子就是波，波就是粒子，兩者是同一物體上的兩種屬性而已。既然所有的微觀粒子都具有波動性，那麼它們應該滿足的動力學定律如何？1925年，德國的海森堡和玻爾一起成功建立起了微觀粒子的矩陣力學，不過那個年代人們對矩陣這個數學工具還很陌生，於是次年奧地利的薛丁格搗騰出了一個方程——薛丁格方程，得出了波動力學，之後英國的狄拉克把兩者統一一起來，後來人們便稱之為量子力學。

量子力學說的是什麼？它把微觀粒子的能量看成量子化的，粒子的運動行為可以用波函數進行描述。波函數是什麼？德國的玻恩給出了波函數的統計解釋，波函數的模方（波函數是個複數）代表粒子在某一時刻某一位置出現的機率，也就是說即使兩個粒子處於完全相同的狀態並對其進行相同的測量，測量的結果也是按照波函數呈一定機率分布的，這就是微觀粒子的粒子性；而作為複數的波函數本身帶有相位，即兩束粒子相互作用還存在相位相干效應，這將導致相互作用後其空間分布機率並非簡單的線性疊加而是某些地方會增強，某些地方會減弱，這就是微觀粒子的波動性，由此很好地解釋了幹涉和衍射等波動現象。現在的先進實驗手段，不僅驗證了波函數的存在，也說明了許多微觀粒子的波動性，如用原子構成「量子圍欄」可以看到中間的駐波。

於是，一切皆是粒子，一切又皆是波。關於光的粒子說和波動說的論戰逐漸變成了遙遠的傳說，只在歷史的長河上，留下了無數智者的身影，照耀著後人的前行。