任誰都知道水是由大量水分子組成的,而一個水分子由一個氧原子和兩個氫原子構成,所以我們也可以認為水是由大量粒子構成的。那麼光是什麼構成的呢?牛頓在幾百年前就講過了,光是由粒子流構成,他還為構成光的粒子起了一個好聽的名字——光子。但同樣是物理學家的惠更新卻不贊成牛頓的觀點,他認為光是波。通過大量的實驗計算,最後證明牛頓錯了。
其中最著名的一個實驗叫做雙縫實驗,兩個木板平行放置,將其中一個木板開兩條縫隙,當光通過縫隙後照在後面的木板上,你認為會發生什麼呢?如果按照牛頓描繪得光的粒子圖像,光是以一顆顆粒子的形式通過這些縫隙的,這些通過縫隙的光就會集中在後面木板兩條平行的小區域,就像下圖一樣。可實際上,這一實驗在真正在進行時卻出現了與理想中完全不同的畫面。
當光源被打開時,後面的木板並不只有兩條光區域,就像下圖表現的那樣,甚至出現了多條光區域。這至少證明如果按照牛頓的思路,這一現象是違背常理的。所以只剩下兩個選擇,要麼實驗的某一步錯了,要麼就是牛頓錯了。但通過實驗結果,我們確實看到了這神奇的一幕,顯然,牛頓錯了。
那麼我們換個思路,光就是波,實驗的結果就可以證明。但我們也要論證一下,當水波湧向障礙,穿過縫隙時會一圈圈向外展開,就像拿起一顆石子扔到池塘。有意思的地方在於,當波重疊時會生成新的相對的波。當波峰相遇時波動會加強,波峰和波谷相遇時波動會減弱,這是因為波重疊後一部分的波會抵消。這很像我們坐船時的場景,有時很顛簸,有時又很平靜。
光也是這樣,顯示在後面木板明亮的地方就是光的波峰相遇的地方,暗區域則是波峰和波谷相遇的地方,這就是有名的雙縫幹涉實驗。不過正是這個實驗,牛頓的光粒子說失敗了,雖然在多年以後科學家接受了光粒子學說,但在當時,牛頓就是錯了,當然這也為後來的麥克斯韋光的波動觀奠定了基礎。
光粒子說並不只被牛頓肯定,愛因斯坦也認為光是粒子的形態,但與牛頓不同的是,儘管愛因斯坦說的也是光粒子,但不知為何也表現著波動的特徵。在微觀世界中,我們必須要擺脫事物要麼是粒子、要麼是波的宏觀世界直覺;也必須接受一個事物可能既是粒子、也是波。
牛頓錯了麼?他可能並沒有錯,光就是粒子組成的;但他可能也錯了,因為光也保留著波的特徵。如果要對光做一個全面的概括,相信「波粒二象性」更能深入人心。光就是這樣,奇妙且自由,不過這種微觀世界的事物,我們也的確很難用直覺來判斷它