光是波还是粒子 【光电科普知识】光是什么？粒子？波？都是传说！

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上帝说:一定要有光！所以有光。大地一片光明，世界充满无限欢乐。但是万能的上帝给人类留下了一个极其困惑的问题——光是什么？几千年来，无数的学者和哲学家深深地卷入了这个问题，这个问题的答案几乎涵盖了人类历史上最聪明的智慧。但是它在中国的脸可以简化为高考选择题，如下:

什么是光？

选项:a .光是粒子；b .光是波；c .光既是粒子又是波；d光既不是粒子，也不是波；以上答案是正确的

给出答案分布:70年后，大部分排序为c .他们以为自己懂光，早晨八九点的太阳——未来有光；80后的我，迷茫于未来是光明还是黑暗。选C的一半选D，一半纠结；90后每个选项都有考生，选项d后加E，标准答案是…，谁知道呢？！

我们来看看历史上牛人是怎么回答的。

我们来看看我们墨家的军队。中国的墨子和他的弟子早在公元前400年就做了光的针孔成像实验，解释了物体与投影关系的原理——光的线性传播。

古希腊人，喜欢讨论问题，对光也很好奇。毕达哥拉斯最早把光解释为光源向四周发射的一种东西，遇到障碍物时会弹开，人在碰到人眼时会感觉到最后一个从光上弹开的障碍物。

然后托勒密在《光学》一书中描述了光的折射，达芬奇也描述了光的反射并试图解释。然后开普勒和斯内尔的实验给出了光的折射定律的数据，但是没有发表。直到数学家笛卡尔在《屈光学》中提出光的折射定律的数学几何表达式，他才同时为光留下了两种可能的解释:第一，光是类似于粒子的物质；第二，光是一种以“以太”为介质的压力，也就是可能是波。什么是光？成了留给后人的问题。

意大利数学家马尔迪说，光可能是波。他让一束光穿过两个小洞，投射到暗室屏幕上，发现投影屏幕上有亮有暗的条纹。这和水波的衍射很像，表现的是光的波动。他还认为物体显示不同的颜色是因为它们有不同的光频率。

英国物理学家胡克说，光应该是波。因为他用肥皂泡和云母重复了马尔迪的实验，他认为“光是以太的纵波”，光的颜色与其频率有关。

光怎么可能是波？英国物理学家牛顿说，它显然是一个粒子。1666年，牛顿为了躲避黑死病，在家里度假。除了玩三棱镜，他无事可做。他发现一束白光可以分成不同的颜色，不同的单色光可以合成还原成白光。因此，他成功地解释了光的色散现象。牛顿的光谱实验使光学从几何光学飞跃到物理光学。牛顿认为光应该由粒子组成，走最快的直线路径。光的分解和合成是不同颜色的粒子分离和混合的结果。

所以一开始解决这个问题有两个学派——“波动论”和“粒子论”。

其实牛顿一开始并没有特别反对“波动理论”，只是“粒子理论”对胡克的前辈“波动理论”提出了挑战，这让胡克很不高兴。直接的结果就是胡克带着博伊尔等人拍摄牛顿关于光的颜色的论文，牛顿也不甘示弱，在以后的论文中不断对“波动论”提出反驳。这些争论最终导致牛顿和胡克终身的个人仇恨，男女双方互相争斗。胡克说牛顿的一些研究是基于他的研究，牛顿冷笑道:“原来我站在巨人的肩膀上！”胡克在牛顿的冷嘲热讽中度过了余生。

荷兰人惠更斯更懂学术政治。他第一次见到牛顿是在剑桥当院士兼领袖，讨论光的本质，说两个人互相熟悉，互相欣赏。但他发现很多现象无法用“粒子论”来解释，偷偷转向“波动论”。惠更斯一回来就做了一系列实验，提出了完整的光的波动理论。他认为光是物质载体“以太”传播的纵向机械波，并成功地解释了光的反射、折射、双折射、衍射等现象。1678年，惠更斯发表《光的理论》，公开发表反对粒子理论的演讲。

老牛很生气，后果很严重。作为当时世界上最聪明的人，牛顿很快发现了波动理论的脉冲门，用粒子理论更好地解释了光的现象。他还把物质粒子的概念扩展到了整个自然界，非常适合他的粒子动力学。这些理论写在他的《光学》一书中，为了避免再次被枪击的危险，直到胡克死后两年才出版。可惜当时惠更斯已死，“波派”式微。牛顿利用他在力学上的卓越声誉，轻而易举地发展了“粒子学派”，统一了江湖。虽然没有几千年，但是统治了整个十八世纪，这就是权威的力量。

历史的车轮总是向前滚动。在新自然哲学的潮流下，权威是不容置疑的。从1800年到1807年，托马斯·杨再次举起了波动理论的旗帜。作为新一代领导人，杨以物理学中最强有力的研究方法——理论预测加实验验证再理论解释，逐步完善了波动理论。

杨首先将光与声波进行了比较，认为光在叠加后也有加强或减弱的现象——光的干涉。他做了著名的杨氏双缝干涉实验:让一束单色光通过小孔衍射到另外两个小孔，在小孔另一侧的接收屏上观察到明暗条纹。这是证明光的涨落的关键实验。可惜杨的解释一开始是不正确的，因为他认为光波和声波一样是纵波，明暗干涉条纹来自入射波和反射波的叠加。

公开对抗权威总是困难的，牛顿粒子学派的信徒们立即抓住波动理论的辫子，驳斥甚至诽谤杨。比如拉普拉斯用粒子理论详细分析光的双折射来反驳波动理论；马吕斯和布鲁斯特通过实验发现了光的偏振，并给出了偏振定律，即光沿传播路径的振动方向是不对称的，这在纵波中是不可能的。杨很沮丧，但他没有放弃。他抬头看了看惠更斯爷爷，终于下定决心迈出更理论化的关键一步:光不是纵波，而是横波。这样就清楚多了，光的偏振不再神秘。因为振动方向垂直于传播方向，所以完全允许不对称，极化就是横波波动性的证明！这种“让出一条路，让出另一条身体”的把戏，击中了粒子理论的要害，在粒子学派里，从来没有牛顿这样的牛人出来说话。

10年后，法国土木工程师菲涅尔发挥了业余兴趣，给出了光干涉的理论预测。在了解了托马斯·杨的工作之后，他进行了实验验证，并成功地建立了光的横向传播理论。之后德国天文学家弗劳恩霍夫用光栅做了光的衍射实验，施维默用波动理论很好地解释了结果。浪派终于卷土重来，不仅成为江湖主流，而且继续兴盛。19世纪后期，法拉第等人对电磁学的深入研究，使人们初步形成了一个概念:光其实是电磁波。1872年，麦克斯韦用四个方程完美而统一地解释了所有的电磁现象，由此可以推断电磁波以光速存在和传播。我们看到的可见光其实只是电磁波的一种。1888年，德国赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在！光不仅是波，还是电磁波。除了光，还有无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等。都是电磁波，它们的区别在于频率不同。光的波动理论在这一点上是完美的。

但是，理论再完善，也有瑕疵。人们总是困惑于一个问题:既然光是波，那么传播光的载体是什么？笛卡尔的祖先说是以太，好吧，那么以太是什么？为什么我们人类看不到？

以太，英文Ether，来源于希腊语，原意是天上诸神的气息。康有为、谭嗣同认为以太无色无味，无声无息，无处不在，孔子的“仁”，墨子的“兼爱”，佛教的“慈悲”，基督教的“魂”，都是以太的作用所致)。简而言之，以太是前所未见的最神秘的物质，寻找以太的过程也充满了哲学和宗教的意义。以太成为19世纪物理学家谈论最多的话题。

根据已知的光的性质，我们猜测以太是传播横波的固体介质，是绝对静止的参照系。但结果固体醚可能会影响天体的自由运动，横向振动也可能引起纵向振动。

关键时刻，还是需要实验来说话。1887年，英国的迈克尔逊和莫雷做了所谓的“以太漂移”实验。这是一个非常微妙的实验。如果地球相对于绝对静止在以太中运动，那么如果光往这个方向传播，就是光速和地球运动速度的叠加，往这个方向传播的速度更小。它们把一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光。通过测量两束光束形成的干涉条纹的数量，可以准确地获得两束光束之间的光程差，进而获得两束光束之间的速度差。因此，只要在不同的方向上测量干涉仪，就可以判断地球相对于以太运动的速度方向和大小。结果出乎所有人的意料——光速在任何方向几乎都是不变的，换句话说，以太不存在！人们开始不知所措。事实上，在我们知道迈克尔逊-莫雷实验的结果之前，一位瑞士专利局的小职员就指出，如果我们放弃绝对时间的概念，绝对静止参照系——以太的概念也可以扔掉。如果人们想接受光速不变的原理，就可以得到物体在接近光速的情况下高速运动的物理，在这里时钟会变慢，标尺会变短。这个新物理学叫相对论，那个叫爱因斯坦的职员，作为20世纪最杰出的物理学家，开创了现代物理学的新世界。

迈克尔逊-莫雷的“以太漂移”实验

波动论的麻烦不仅仅是找不到“以太”这个载体，更可怕的是乌云一个接一个地飘来。赫兹的实验还有一个现象。当两个金属球受到紫外线照射时，电火花似乎更容易出来，也就是光对金属的照射可以产生电子。这就是光电效应的发现，爱因斯坦后来对此进行了解释。他认为光以粒子的形式入射到金属上，金属电子会吸收其能量而逃逸。光粒子说又浮出水面了！

爱因斯坦称轻粒子为“光子”。光子的概念不是他独创的，而是来自于德国普朗克对黑体辐射的解释。对于以往黑体辐射的研究，瑞利和金斯用理论解释了大部分波段的辐射曲线，但在紫外波段遇到了灾难性的违背实验结果的情况。最严重的问题是人们无法用如此完美的电磁理论解释一个简单的黑体辐射谱，光的波动理论又一次遇到了障碍。普朗克引入了一个新概念——把光的能量分成离散的部分，每一部分称为能量的“量子”。通过计算能量量子的分布，可以得到与实验谱线完全符合的黑体辐射理论公式。

对于当时的大多数科学家来说，把能量看成是不连续的量子化是不可接受的。普朗克对能量量子的引入感到不安。他甚至觉得自己不该质疑经典电磁理论，因为它太完美了。只有年轻大胆的爱因斯坦不仅勇敢地接受了能量量子的概念，还成功地用它解释了光电效应。光的新粒子理论——光的量子理论诞生了。

新事物往往很难被人接受。美国的米利根做了十年实验，试图否定光的量子理论。然后在1915年，他发表的实验结果证实了光量子的存在，也确定了普朗克常数。如果光具有量子化粒子性质，那么其他电磁波呢？1923年康普顿发现X射线被电子散射后频率会降低，即X射线也具有粒子性质。更有趣的问题是，原本被认为是粒子的电子会波动吗？1927年，Jamel和Thomson先后证实了电子束的波动性，然后发现氦原子射线、氢原子射线和氢分子射线都具有波动性。事实上，如果可见光、X射线、电子甚至中子穿过合适的材料，就可能发生衍射，即波的强度增强和减弱，而“合适的”材料实际上有其与射线波长相当的间隙——这就是波衍射的条件。

这就更麻烦了。波可以是粒子，粒子也可以是波。是粒子还是波？粒子和波都有？既不是粒子也不是波？完全把大家搞糊涂了。

正是在粒子和波的混沌中，物理学迎来了历史上最伟大的革命——量子力学诞生了。早在1913年，玻尔就成功地用量子化能量的概念解释了原子的行星模型，即电子绕原子核运动的能量也是不连续的，只能在一定的固定能量轨道上运动。

1924年，法国的德布罗意提出了波粒二象性的概念，不仅光是如此，几乎所有微观粒子或电磁波都是如此。粒子的能量等于普朗克常数乘以它的波频，粒子的动量等于普朗克常数除以它的波长。这样粒子就是波，波就是粒子，只是同一物体上的两个属性。

既然所有微观粒子都有波动性，那么它们应该满足哪些动力学规律？1925年，德国的海森堡和玻尔成功建立了微观粒子的矩阵力学，但当时人们还不熟悉矩阵的数学工具，于是第二年奥地利的薛定谔方程发布，得到了波动力学。然后英国的狄拉克把两者统一起来，后来人们称之为量子力学。

量子力学说什么？它把微观粒子的能量看作量子化，粒子的运动行为可以用波函数来描述。波函数是什么？出生于德国的给出了波函数的统计解释。波函数的模方代表粒子在某一时刻出现在某一位置的概率，也就是说，即使两个粒子处于相同的状态，测得的结果也是相同的，测得的结果按照波函数以一定的概率分布，这就是微观粒子的粒子性质；波函数作为一个复数，本身是有相位的，即两束粒子之间的相互作用仍然存在相位相干效应，这将导致空之间的分布概率不是简单的线性叠加而是在某些地方增强，在某些地方减弱，这就是微观粒子的涨落，从而很好地解释了干涉、衍射等涨落现象。现在先进的实验手段不仅验证了波函数的存在，还解释了许多微观粒子的波动性。比如中间的驻波，利用原子形成量子栅栏就可以看到。

然后，一切都是粒子，一切都是波。关于光的粒子论和波动论的争论逐渐变成了遥远的传说，在历史的长河中留下了无数智者的身影，照耀着后人。

关于光的本质的争论是物理学史上最著名的争论之一，几乎所有参与争论的人都是当时最权威或最有智慧的物理学家。这样的争论往往极大地推动和发展了物理学，比如关于以太存在和经典电磁学发展的思考，催生了相对论，而关于粒子涨落的争论则催生了量子力学，掀起了20世纪初物理学最大的创新。电磁学的研究开创了19世纪以来的电器时代，而量子力学则深刻影响了现代人的生产生活。现在几乎所有的电器都使用基于量子力学原理的半导体等器件，这只是量子力学应用范围的极小一部分。

同样，这场争论极大地促进了人们对光和微观粒子的认识，也为物理学研究带来了许多有力的工具。在现代物理学中，利用X射线、电子和中子作为探测工具来研究穿过材料后的散射行为。通过分析衍射图样，可以知道材料的原子排列、磁排列和电子分布等信息。再比如光电效应，它已经发展成为一系列的光电子能谱技术，可以直接获得材料中电子的能量和动量分布等信息，对材料的电磁特性给出微观机理解释。可以说，如果没有关于光的本质的争论，也许今天这样辉煌的物理学就不会诞生。物理学史上有很多类似的讨论，比如爱因斯坦场方程的宇宙学常数的存在。近年来对暗物质和暗能量的观测表明，我们对宇宙了解甚少，这涉及到宇宙常数的本质。新一轮的讨论还在继续，我们也期待着物理学上更宏伟的创新。