這場持續300年的波粒大戰,由牛頓開始,在愛因斯坦的理論中結束

世界究竟是什麼？這是一個哲學命題也是一個科學命題，在科學還沒有進入微觀世界之前，光這種迷人而又耀眼的存在一直吸引著科學家們的目光，光究竟是什麼呢？這個問題在科學界的腦海裡產生之後，由此誕生了一場長達300年的波粒之戰。

第一次波粒大戰

第一次波粒之戰，牛頓還是一個繞不開的話題（當然，第二次也繞不開），你會發現翻閱整個物理學發展史，牛頓、愛因斯坦、玻爾、麥克斯韋這幾個人都是很難繞得開的存在。

在 1660 年，牛頓的一生死敵胡克發表了他的光波動理論。他認為光線在一個名為發光以太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。胡克的光波動理論是光的波動說的雛形。

而與胡剋死掐的牛頓則提出了相反的意見，他在法國數學家皮埃爾·伽森荻提出的物體是由大量堅硬粒子組成的基礎上，根據光的直線傳播規律、光的偏振現象，最終於 1675 年提出假設，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。微粒說由此產生。

牛頓的分光實驗

牛頓與胡克之爭還沒有進入白熱化，這個時候，法國科學院的掌門人惠更斯插進來了，相比起胡克，惠更斯成名已久，德高望重，是科學界的前輩。而且身為法國科學院的掌門人，弟子眾多。

在 1678 年，惠更斯在法國科學院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，並在 1690 年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理，促進了光學研究的發展，由此掀起了第一次波粒大戰。

兩個人都有各自的支持者。惠更斯當時在數學、天文學、光學諸方面已多有建樹,被荷蘭人視為與大文豪斯賓諾莎齊名的國寶。牛頓更是不同凡響, 被英國尊奉為超級巨星、科壇泰鬥。

兩個人都想證明自己在光學上的扛把子地位，所以牛頓和惠更斯都力證自己的才是正確理論。

他們在各自的領域裡已經有所建樹, 而且他們的觀點都能解釋許多生活中人們常見的現象, 崇拜權威的心理使人們紛紛站隊，所以導致了偏激的爭執。後來這些支持者火上澆油，波粒之戰達到了高潮，甚至在惠更斯去世之後也沒有停止。

在惠更斯去世之後，牛頓出版巨著《光學》，這本著作匯聚了牛頓在劍橋三十年研究的心血，從粒子的角度，闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的內容，他更從波動說中汲取養分，將波動說中的震動、周期等理論引入粒子論，全面完善補足了粒子學說。緊接著他將波動說無法解釋的問題一一提出，並對惠更斯當年的《光論》加以駁斥。死人是沒有辦法反駁的，牛頓最終以一己之力，扭轉了光學兩大理論交鋒局勢，贏得了第一次波粒之戰的勝利，此後的一個世紀，微粒說一直牢牢佔據著光學研究的主流。

第一次論戰，牛頓微粒說勝

第二次波粒大戰

1807 年，在波粒之戰過去 103 年之後，著名的科學家託馬斯·楊在實驗室進行了著名的楊氏雙縫幹涉實驗，由此拉開了第二次波粒大戰的序幕。

託馬斯·楊堪稱是科學家裡的奇才，他的跨界領域簡直讓人匪夷所思，除了在力學、材料力學、數學、光學、聲學、流體動力學、船舶工程、潮汐理論、毛細作用以及生理學方面具有驕人成就之外，他還涉獵語言學、動物學、考古學、文字學。並且，他會演奏當時的所有樂器，對畫畫也十分精通，還會製造天文器材，還研究經濟問題，同時還是一個醫生。託馬斯·楊更擅長騎馬，並且會耍雜技走鋼絲。

他這個人聰明到了程度呢？在 13 歲時他已經能夠閱讀拉丁文、希臘語、法語和義大利語，20 歲時掌握了希伯來語、阿拉伯語、波斯語等東方語言，不知道為啥沒有研究漢語。他也被譽為「這個世界上最後一個什麼都知道的人」。

託馬斯.楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，他突然產生了疑問「為什麼會形成一明一暗的條紋呢？」他想：「用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是「同向」的，它們的波峰和波谷正好相互增強，結果造成了兩倍光亮的效果；而暗的那些條紋，則一定是兩道光正好處於「反向」，它們的波峰波谷相對，正好相互抵消了。「

後來他又發現水波會以同樣的方式衍射過堤岸上的兩個狹窄隘口，然後發生幹涉，在有些地方水波相互增強，發生相長幹涉，有些地方水波相互抵消，發生相消幹涉。

為了驗證這個想法，他立即進行了一系列實驗，這便是著名的楊氏雙縫幹涉實驗。這個實驗中學物理課本上也有。

就是把一個手電筒放在一張開了一個小孔的紙前邊，然後在紙後邊再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到牆壁上，就會形成一系列明、暗交替的條紋。

這個實驗成了支持光的波動理論的絕佳例子，楊氏雙縫實驗也被稱為光的幹涉現象，幹涉這個名詞也是楊首次提出的。他證實了光纖通過平行且距離很小的兩個小孔，通過兩小孔頻率相同的光會發生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實驗結果給學界帶來了很大的衝擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論，然而，當時牛頓已經成為了權威，容不得質疑，科學界對於微粒說深信不疑。託馬斯.楊遇到了和麥克斯韋一樣的事情。他們對於楊的實驗結果予以否認，並稱之「荒謬絕倫」。

託馬斯.楊遭受到了無與倫比的壓力，他在雙縫實驗得出來的結論被無情封殺，據傳只印刷了一本，還是自己自費印刷的，後來託馬斯.楊宣布退出光學研究，轉而研究考古學，當然在考古學他也作出了巨大的成就。

託馬斯.楊的著作點燃了量子革命的導火索（這是後話），光的波動說在經過了百年的沉寂之後，終於又回到了歷史舞臺上來。然而，第二次波粒大戰也才剛剛掀起一個高潮，第二次波粒大戰可以說是一群科學家對當時主流學界的抗戰！

在楊之後，菲涅爾也向主流學界發起了挑戰，奧古斯丁·菲涅耳提出了著名的惠更斯-菲涅耳原理。

在惠更斯原理的基礎上假定次波與次波之間會彼此發生幹涉，又假定次波的波幅與方向有關。惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現象。但是菲涅爾的這次論戰並沒有取得完全的勝利，不過的確動搖了一部分人，因為它能夠說明偏振現象的機制，這是光微粒說所不能夠的。可以說菲涅爾原理提出之後牛頓的微粒說的權威地位開始鬆動，菲涅爾的理論成為了第二次波粒戰爭的決定性事件。

而接下來傅科和核磁的實驗則直接推翻了牛頓的微粒說權威地位，獲得了第二次波粒大戰的終極勝利。

1819 年 5 月 6 日，傅科向法國科學院提交了他關於光速測量實驗的報告：他發現水中的光速要小於真空中的光速，後者只有前者的 3/4.。因為根據微粒理論，這個速度應該比真空中的光速要快，而根據波動論，這個速度應該比真空中要慢才對。

傅科測光速示意圖

這個實驗報告可以說基本宣布了微粒說的死刑，而赫茲的實驗則直接給了致命一刀。

1887 年，赫茲實驗誕生，H . R . 赫茲用實驗方法產生了電磁波。光與電磁現象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動理論與電磁理論融成了一體，產生了光的電磁理論。

赫茲電磁波實驗

在經過 80 多年的論戰之後，光的波動說重新成為主流，而赫茲的實驗也拯救了麥克斯韋，當時牛頓的超距作用處於權威地位，麥克斯韋的電磁波理論被打壓否定，而核磁的實驗也證明了電磁波的存在，從而推翻了牛頓的超距作用。

第三次波粒大戰

而第三次波粒大戰就要涉及到玻爾與愛因斯坦了，當然，這次論戰，並不是他們兩個人開打的，而是他們手下的大將海森堡與薛丁格。

這次論戰還是還是起源於楊的雙縫實驗，不過愛因斯坦得出了不一樣的結果，當你降低光的強度，直到每次只有一個光子進入整個實驗裝置時，奇異之旅就開始了。1905 年，愛因斯坦已經明確提出，單個光子是一個粒子。由此愛因斯坦提出的光量子理論，解釋了光電效應，並因此獲得了諾貝爾獎。

在愛因斯坦提出光量子理論之後，大家發現楊的實驗結果也並沒有錯，這個時候人們開始意識到光波可能同時具有波和粒子的雙重性質。

那時，哥本哈根學派的掌門人波爾( Bohr ) , 克萊默（ Kramers )還有斯雷特( Slater )發表了一個 BKS 理論提出 "波子" 及 "機率波" 模型，嘗試說明光的二重性，並用統計方法重新解釋能量及質量守恆。

玻爾

可惜這個 BKS 理論大錯特錯，不過玻爾提出的原子模型也站在了粒子這邊。玻爾與愛因斯坦這對掀起 20 世紀最大規模論戰的老對手居然罕見的意見相同。

而這個時候第三次波粒大戰的主人公海森堡出場了，在當時物理學的研究對象應該只是能夠被觀察到被實踐到的事物，物理學只能從這些東西出發，而不是建立在觀察不到或者純粹是推論的事物上。也就是物理學的研究領域還只處於宏觀領域，而不涉及微光領域。

而海森堡卻並不甘心將自己的研究停滯在宏觀領域，從而提出了矩陣力學，認為電子是量子化的，像粒子一樣在不同軌道上躍遷。

薛丁格從經典力學的哈密頓-雅可比方程（使用分析力學中求解動力學問題的一個方程）出發，利用變分法（一種求解邊界值問題的方法）和德布羅意方程，最後求出了一個非相對論的方程，用希臘字母ψ來=帶表波的函數，最終形式是：

這就是名震 20 世紀物理史的薛丁格波動方程。認為電子是一種波，就像雲彩一般（電子云說法的由來），放大來看後，就好像在空間裡融化開來，變成無數振動的疊加，平常表現出量子的狀態，是因為它蜷縮的太過厲害，看起來就像一個小球。函數ψ就是電子電荷在空間中的實際分布。

薛丁格方程

兩個人將波粒之爭深入到了微觀領域，可以說進入了白熱化的程度。海森堡撰寫的矩陣力學論文，由於計算方式太奇怪，被人紛紛的改寫成「共軛」的波動方程形式。

鬱悶的海森堡後來提出了著名的不確定原理來論證他的觀點，什麼意思呢？給定全部條件？這個前提本身都是不可能的，給定了其中一部分條件，另一部分條件就變得非常的模糊。可以說來了一波實力反擊。

玻爾也出來和稀泥了，他說：「電子的真身，或者電子的原型？本來面目？都是毫無意義的單詞，對我們來說，唯一知道的只是我們每次看到的電子是什麼。我們看到電子呈現出粒子性，又看到電子呈波動性，那麼當然我們就假設它是粒子和波的混合體。我們無需去關心它「本來」是什麼，也無需擔心大自然「本來」是什麼，我只關心我們能「觀測」到大自然是什麼。電子又是粒子又是波，但每次我們觀察它，它只展現出其中一面，這裡的關鍵是我們「如何」觀察它，而不是它「究竟」是什麼。」

其實這麼長一段話的意思就是：它既是一個粒子，同時也是一個波！你觀察的角度不同，那麼你看到的東西也就不同。

我們在前面說到，愛因斯坦提出的光量子理論，這個時候人們就開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。而加上玻爾的這番話，於是德布羅意出來平息這場爭鬥，在 1924 年提出了「物質波」假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有幹涉和衍射等波動現象。

後來到 1926 年 4 月份，因為這種對峙至少在表面上有了緩和，薛丁格（居然還自己跑出來證明）、泡利、約爾當都各自證明了，這兩種力學在數學上來說完全等價。

不過這個假說並沒能平息這場爭鬥，直到 1927 年，C . J . 戴維孫和 L . H . 革末在觀察鎳單晶表面對能量為 100 電子伏的電子束進行散射時，發現了散射束強度隨空間分布的不連續性，即晶體對電子的衍射現象。幾乎與此同時，G . P. 湯姆孫和A.裡德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發現證實了 L. V . 德布羅意提出的電子具有波動性的設想，從而證實了一切物質都具有波粒二象性。

自此海森堡與薛丁格掀起的第三次波粒大戰就此結束，這一次，微粒說與波動說終於實現了融合。

電子衍射與衍射襯度像

可以說第三次波粒大戰由宏觀領域轉戰到了微觀領域，在之前，大家還只是針對光進行討論，而在第三次波粒大戰中，已經深入到了光源中的電子一樣，正如量子力學將物理帶入了微觀領域一樣，在 20 世紀初的這場波粒大戰同樣在微觀領域展開。

2015 年瑞士洛桑聯邦理工學院科學家成功拍攝出光同時表現波粒二象性的照片。

照片中，底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。

自此，這場持續了 300 年的波粒大戰才正式落下帷幕，許多的科學家住這場論爭中湧現，嶄露頭角，這次論爭的雙方可以說都沒有錯，但也沒有全對。波粒大戰可以說推動了物理學的大發展（相對論和量子力學以及光電效應的誕生都和此有關）！