量子力學前傳：跨越300年的光是波還是粒子之爭，到底爭些啥？

量子力學的詭異之根源在於「波粒二象性」。

要揭開量子力學之迷，不得不先從了解光的波粒二象性開始。

如果量子力學是一部傳奇的故事，光的「波」「粒」之爭就是它的前傳，我們就從這場跨越三個世紀的「論戰」開始吧......

首先，請閉上眼睛，先回顧一下這場「 迴腸盪氣「」波瀾壯闊」的畫面：

古希臘時代人們就開始思考關於光的本質。根據經驗觀察和元素說的影響，那時人們認為光是一粒一粒的。

17世紀初，笛卡爾第一次提出了光是波的看法，加上惠更斯的支持，整個17世紀人們主要的觀點就是，光是一種波。

18世紀初的1704年，牛頓發表了《光學》，他說光是一種粒子。於是整個18世紀人們幾乎都承認，光是一種粒子。

19世紀初的1803年，託馬斯.楊做了一個著名的實驗，叫雙縫幹涉實驗，它證實光是一種波。加上後來麥克斯韋電磁理論的證實與支持，於是人們在整個19世紀裡都相信，光還是一種波。

20世紀初的1905年，愛因斯坦的光電效應理論說明，光也可以是一樣粒子，於是人們都被搞懵了……

真是各領風騷一百年啊！

都爭了300來年，還是別爭了，現在大家都相信光不僅是一種波，也可以是一粒子，還可以同時是一種粒子和波，這就是光的「波粒二象性」。

幾百年來這場爭論是如何展開的？他們都爭了些啥？

在古希臘時代，人們只是憑生活的經驗去理解，為何光只能走直線？光遇到了障礙物怎麼不會繞過去呢？光在水中為什麼會發生折射現象？....等等。這些觀察到的現象加上當時元素說的影響，人們認為光應該是一顆顆非常小的「光原子」組成。這種理論我們稱之為光的「微粒說」。當時歐幾裡得的《反射光學》也論述到光的直線傳播原理和光的反射原理。

光的反射

直到17世紀初，笛卡爾才第一次提出了光是波的看法，在他的《折光學》中最先提出了這樣一種可能性：光是一種壓力，在媒介裡傳播。他認為既然聲音是一種波，為什麼光就不能夠是一種波呢？

後來義大利的數學教授格裡馬弟做了個實驗，就是用一束光通過兩個小孔投射到屏幕上，這時在屏幕上出現了一些明暗條紋的圖案。這讓他想起了水波的衍射。於是他得出結論，光應該也象水波一樣是一種在介質中傳播的波。衍射也首次成為了光是一種波的有力證據。

雙孔幹涉實驗

光的波動說，後來還得到了當時名氣比較大的胡克的支持，他在1665年出版的《顯微術》中明確支持了光是一種波的說法。他觀察了肥皂泡裡映射出的色彩和通過薄雲母片產生的光輝，斷定光就是一種波。

直到1672年，牛頓出現了，他初試牛刀。牛頓讓光通過三稜鏡看到不同顏色的光，這些不同顏色的光通過透鏡又可以聚焦為白光。這個光的散射實驗，讓牛頓堅信，光是一種微粒，這些不同的顏色就是不同的微粒。他給英國皇家學會秘書奧登伯格寫信介紹了他的理論，當時並沒引起多大的反響。

牛頓在做色散實驗

在惠更斯的有力反擊下。光的波動說還是佔據著很大優勢。牛頓的微粒理論暫時還得不到更多人的支持。波動說認為，如果光是一種粒子，那麼光在交差時，為什麼不因為碰撞而改變方向呢？惠更斯引入「波前」等概念成功的用波的理論證明和推導了光的反射和折射定律。這對於「微粒」說方面可說是沉重的打擊。1690年，惠更斯發表了他的著作《光論》標誌著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。波動說在整個17世紀幾乎都是佔了上風。

但是，惠更斯的波動理論也有他的缺陷。波動說認為，光不是一種物質粒子，而是由於介質的振動而產生的一種波。那麼這種介質是什麼？當時惠更斯用的是「以太」來作為應付，但是以太是否存在，當時也沒有證實。另外，惠更斯認為光是一種橫波，這就沒法解釋光的偏振現象。

十八世紀初的1704年，牛頓終於重拳出手了，他的煌煌巨著《光學》一出版，波動說幾乎已是搖搖欲墜。

牛頓問：如果光是一種波，他遇到障礙物時，為什麼沒像聲波一樣繞開呢？牛頓認為在白光中已經存在了各種色，白光可以說是不同色的各種微粒的混合體。在他的色散實驗中，稜鏡把它們各自分開了。

關於折射現象，牛頓的解釋是，根據力學理論，由於玻璃的粒子所發出的力作用在光的粒子上，所以光的方向才會發生改變。

但是牛頓粒子理論也有自已的破綻，他沒法很好的解釋衍射中出現的種種現象，也沒法回答兩束光交差碰撞時，為什麼沒有因碰撞而改變方向。

甚至他發現的牛頓環，還為他擺上了一個烏龍。牛頓環是一種光的幹涉圖樣。1657年，由牛頓首先進行了定量測量。平凸透鏡與玻璃平板組合時，用單色光照射透鏡與玻璃板，可以觀察到一些明暗相關的同心圓環。這個衍射現象是波動說的有力證據。但是當時牛頓卻用微粒說去勉強的解釋。

牛頓環

雖然牛頓的微粒說還有很多不完備之處，但是，那時的牛頓已經是出版了《原理》的牛頓，他已經發明了微積分、還是國會議員、鑄幣局的局長和英國皇家學會主席。

這些光環，讓牛頓的微粒說，成為了整個18世紀的主流理論，波動說幾乎是處於被動挨打的局面。

正當微粒說沉浸於水月靜好，唯我獨尊之時，半路殺出個程咬金。這個人就是託馬斯.楊。他做了個著名的實驗，就是楊氏雙縫幹涉實驗。這個實驗在2002年，曾被《物理世界》評為十大經典物理實驗並且排名第一。

託馬斯.楊

當時因為沒有雷射，楊是用蠟燭來做這實驗的。就是在一個遮擋板的中間開兩條縫，讓燭光透過兩個縫隙之後，打在後面的屏幕上，會形成一片非常漂亮的明暗相間的條紋。

雙縫幹涉實驗

這些明暗相關的條紋的形成，我們可以從水波中理解，在平靜的湖面上於不同的地方扔兩個小石塊，形成的兩個水波擴散開來，當這兩個水波相遇時，波峰和波峰重疊，就會形成更大的波峰，當波峰和波谷相遇，就會相互對消。這個現象就是波的「幹涉」。

水波幹涉

那麼光通過兩條縫也能形成這個明暗相間的幹涉條紋，證明光是一種波。這個就成為光是一種波的最有力證據。楊於1803年發表了他的論文報告，闡述了如何用光的幹涉效應來解釋牛頓環和衍射的現象，還計算出了波的長度。

楊氏雙縫實驗之後，菲涅爾再次用他的理論解釋了光的衍射現象。支持微粒說的泊松並不相信菲涅爾，他認為按菲涅爾的理論，當光照射在一定大小的圓盤上時，會在後面的光屏上出現環狀的衍射條紋，並且在圓心處出現一個亮斑，這是不可思議的！

菲涅爾

然而，這個實驗真的被阿拉果做了出來，他用單色光照射在寬度小於光源波長的小圓盤上時，真的會出現互為圓心的衍射條紋，並且在圓心處有一個亮斑。

泊松亮斑

事實面前泊松啞口無言，在微粒說方面，牛頓環本來就自擺烏龍，泊松這次又在自已的球門踢進了一球。

波動論方太高興了，為了記下泊松這個大功勞，慷慨的把這個現象稱為「泊松亮斑」。

波動說這個時期似乎吃了靈丹妙藥，支持它們的實驗一個接一個，勢如破竹。

菲涅爾假設光是一種橫波（惠更斯當時認為是縱波），就是象水波那樣，波振動的方向和傳播的方向是垂直的。而縱波就象聲波，波振動的方向與傳播的方向一致。菲涅爾的橫波理論解決了當時波動說中存在的「光的偏振」問題。

傅科通過實驗又證實了光在水中的速度小於真空中的速度。按微粒說理論，光在水中的速度比真空中的速度快。傅科的這個發現，簡直是判了粒子說的死刑。

1856年，麥克斯韋發表了他的第一篇電磁理論，並於1873年出版了他那著名的《電磁通論》一書。從此，波動說幾乎就奠定了它的統治地位了。

麥克斯韋的電磁理論認為，光就是一種電磁波，它是由引起電現象和磁現象的同一介質中的橫波組成的。電和磁（電磁波）可以似波一樣在真空中傳播而不需要任何介質，並且可測算出電磁波的速度和光速一樣。

麥克斯韋

1888年赫茲通過實驗發現了電磁波，證實了麥克斯韋的理論。光是一種波的理論至此取得了決定性的勝利。但是，波動說的勝利還是個暫時性的勝利。20世紀初的1905年，愛因斯坦終於出手了！

愛因斯坦是怎麼出手的？下一篇量學力學的誕生我們再說。請關注醬子聊科學。