你對眼中看到的光了解多少，微粒說，波動說，竟成了量子力學開端

對於光的知識可能很多領域都會有所介紹，前幾天小編在學習PS軟體的時候也學習到了關於光的知識，當然那上面講的是：光照在物體上，物體要顯示什麼顏色，以及光的三基色：紅、綠 、藍（RGB）。

光的三基色

那麼問題來了，光是一種什麼東西？是所有的光都可以用三基色來混合而成嗎？

帶著這個問題我們很容易的了解到，光是一種電磁波，光還有一個很大的家族，按照波長的長短（能量的高低）依次排列，我們能夠看見的光稱之為可見光，波長在390納米~760納米，只是光譜中很小的一段，可見光這一小段按照波長從長到短的顏色排列為：紅橙黃綠藍靛紫。在這段的兩段分別為紅外線（波長大於760納米）和紫外線（波長小於360納米）

光譜

根據「波粒二象性」又可以知道光還是一種由基本粒子——光子組成的粒子流。按照研究所述，光具有波動性也具有粒子性。

對光的探究從很早就已經開始了，早在古印度，有人認為光是組成世間萬物的五微塵（tanmatra），即——香、味、色、觸、聲。還有觀點是四元素說，土（prthivi）、水（pani）、火（agni）、空氣（vayu）。他們認為光線就是高速的火原子流，當火原子以不同的速度運行，就有了顏色的差別。

現代物理光學起點

隨著人們對光的探索，勒內·笛卡兒（1596–1650）認為光是發光物的一種機械屬性，這不同於海什木（Ibn alHaytham）和威特羅（Witelo）的「形態」說，也不同於羅吉爾·培根，格羅斯泰斯特（Grosseteste）和克卜勒的「種類」說。他在1637年發表的光折射理論中，類比聲波的傳播行為，錯誤地得出了光速和傳播介質密度成正比的結論。雖然笛卡爾在相對速度上判斷錯誤，但他正確地假設了光的波狀性質，還成功地用不同介質下光速的差異解釋了折射現象。雖然笛卡爾並不是第一個嘗試用機械分析解釋光的人，但他明確堅持光僅是發光體和傳播介質的機械波性質，而因此使他的理論被視作現代物理光學的起點。

光的波動說

在1660年代，羅伯特·胡克發表了他的光波動說。克裡斯蒂安·惠更斯在1678年得出了他自己的波動學說，並在1690年發表在他的《光的專著》（Treatise on light）裡。他認為光線在一個名為發光以太（Luminiferous ether）的介質中以波的形式四射，並且由于波並不受重力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。光波動說預言了1800年託馬斯·楊發現的幹涉現象以及光的偏振性。楊用衍射實驗展現了光的波動性特徵，還提出顏色是由光波波長不同所致，用眼睛的三色受體解釋了色覺原理。

萊昂哈德·歐拉也是光波動說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》（Nova theoria lucis et colorum）中闡述了他的這一觀點，他認為波理論更容易解釋衍射現象。

之後，奧古斯丁·菲涅耳也獨立完成了他的波動理論的建立，並於1817年上遞給法國科學院。西莫恩·泊松完善了菲涅耳的數學證明，給了光粒子說致命一擊。在1821年，菲涅耳使用數學方法使光的偏振在波動理論上得到了唯一解釋。

但波動理論的弱點在於，波，類似於聲波，傳播需要介質。雖然曾有過發光以太的假想，但這也因為19世紀邁克耳孫－莫雷實驗（一個偉大的失敗實驗）陷入了強烈的質疑。

牛頓推測光速在高密度下變高（而實際光速在高密度介質變低），惠更斯和其他人覺得正相反。但當時並沒有準確測量光速的條件。1802年，託馬斯·楊做實驗發現，當光波從較低密度介質移動進入較高密度介質之後，光波的波長會變短，他因此推論光波的運動速度會降低。1850年，萊昂·傅科的實驗得到了和波動理論同樣的結果。

光的微粒說

法國數學家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）提出了他的光粒子假設，他的這一假設在他死後發表，並且在艾薩克·牛頓早年引起了他的興趣。牛頓本人傾向於笛卡爾的實空理論（plenum）。他在他1675年的《解釋光屬性的假說》（An Hypothesis explaining the Properties of Light）中提到，光是由光源向四面八方發射的微粒組成。牛頓反對光波動說的一個理由是，波會繞開障礙物，而光卻是直線傳播的。但對于格裡馬爾迪（Francesco Grimaldi）觀察到的衍射現象，牛頓甚至也稍作妥協，解釋為光粒子移動於以太所產生的局部波造成。

牛頓的理論和光的反射現象相吻合，但對於折射現象，牛頓錯誤地認為是因為進入高密度介質時所受引力更大使光之工作者加速而成的。牛頓在1704年發表了他集大成的《光學》一作。牛頓本人的權威使光的粒子理論在18世紀甚囂塵上。但皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Laplace）反駁說，人的密度既然這麼大，那光幾乎不可能逃脫人的引力了。用現在的說法，人將成為一個黑洞。

電磁理論

1845年，麥可·法拉第發現當偏振光穿過施加了磁場的透明介質時，會發生偏振旋轉。這後來被稱為法拉第效應，它首次發現了光和電磁的關係。在1846年，他推測光可能是沿磁場線衍生的某種形式的擾動。次年，法拉第提出光是一種高頻電磁振動，不需要介質也能衍生。

法拉第的研究啟發了詹姆斯·麥克斯韋研究電磁輻射和光。麥克斯韋發現自生電磁波會以恆定速度傳播，而且這個速度恰好等於光速。正是從這一點出發，麥克斯韋得出了光是一種電磁波的結論。20多年後，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度的確與光速相同，同時電磁波也能夠產生反射、折射、幹涉、衍射、偏振等現象，從實驗中證明了光是一種電磁波。

波粒二象性

波動理論幾乎在所有光學和電磁學的現象中得到了驗證，這是19世紀物理學的一個重大成果。但到19世紀末期，有一些實驗現象要不是無法解釋，就是違反當時理論，其中一個爭議即為光電效應。實驗數據的結果指出，放出的電子能量與光線的頻率成正比，而非強度。更特別的是，當光線小於某一個最小頻率後，無論再加大強度，都不會產生感應電流，這現象似乎是違反了波理論。許多年來，物理學家們嘗試尋找答案都無功而返，直到1905年愛因斯坦讓粒子理論重回歷史舞臺。由於太多的實驗現象為波動理論佐證，使得愛因斯坦的想法，在當時的物理學界受到了巨大質疑。然而愛因斯坦對光電效應的解釋最終得到了認同，並開啟了波粒二象性和量子力學兩扇大門。