光的本性之爭：光是粒子還是波？

「量子」這個概念最早源自科學家對光的認識，所以就讓我們從光的性質說起吧。

自古以來太陽就是人類膜拜的對象。陽光是人類必不可少的生命源泉，但人們對於光到底是個什麼東西卻說不清楚，所以古人只好把太陽當作神靈來崇拜，把太陽作為光明的象徵，也把太陽看作是世界的統治者。

在很長一段時間內，人類對光的認識只限於某些簡單的現象和規律描述，例如，戰國時期的《墨經》中記載了投影、小孔成像等光學現象；古希臘學者歐幾里得的《反射光學》論述了光在傳輸過程中的直線傳播原理和光的反射定理。

隨著科學的發展，人們逐漸開始以科學的方法來研究光，並發現了反射、折射等一些基本的光學現象。到了17世紀，人們開始研究光的本性，但對於光的性質卻發生了似乎是水火不容的爭論：牛頓認為光是一種粒子，而惠更斯卻認為光是一種波。

惠更斯的波動學說

荷蘭物理學家惠更斯認為，如果光是一種粒子，那麼光在交叉時就會因發生碰撞而改變方向，可人們並沒有觀察到這種現象，所以粒子說是錯誤的。他認為，光是發光體產生的振動在「以太」中的傳播過程，以球面波的形式連續傳播。當時人們認為以太是充滿了整個空間的一種彈性粒子，當然，現在已經證明這是一種子虛烏有的東西。惠更斯認為，以太波的傳播形式不是以太粒子本身的移動，而是以振動的方式傳播。

1690年，惠更斯出版了《光論》一書，闡述了他的光波動原理。他指出：

「光波向外輻射時，光的傳播介質中的每一物質粒子不只是把運動傳給前面的相鄰粒子，而且還傳給周圍所有其他和自己接觸並阻礙自己運動的粒子。因此，在每一粒子周圍就產生以此粒子為中心的波。」

惠更斯在此原理基礎上，推導出了光的反射和折射定律，解釋了光速在光密介質中減小的原因，同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現象（1669年，丹麥學者巴爾托林發現了此現象，透過它可以看到物體呈雙重影像）。

惠更斯的波動學說雖然冠以「波動」一詞，但他把錯誤的「以太」概念引入波動光學，對波動過程的基本特性也缺乏足夠的說明。他認為光波是非周期性的，波長和頻率的概念在他的理論中是不存在的，所以難以說明光的直線傳播現象，也無法解釋他發現的光的偏振現象。惠更斯的光學理論只是很不完備的波動理論。

牛頓的粒子學說

牛頓則堅持光的粒子說。他做過很多光學實驗，其中就包括著名的三稜鏡色散實驗。其實這個實驗在他之前就有人做過，不過做得不好，只獲得了兩側帶有顏色的光斑，而牛頓則獲得了展開的光譜。而且他用各種不同的稜鏡以及不同的組合方式嚴謹地研究了色散現象，所以不少人都認為色散現象是他最早發現的。

牛頓認為，既然光是沿直線傳播的，那就應該是粒子，因為波會彌散在空間中，不會聚成一條直線。最直觀的實驗證明就是物體能擋住光而形成陰影。他在1675年12月9日送交英國皇家學會的信中鮮明地指出：

「我認為光既非以太也不是振動，而是從發光物體傳播出的某種與此不同的東西……可以設想光是一群難以想像的微小而運動迅速的、大小不同的粒子，這些粒子從遠處發光體那裡一個接著一個地發射出來，但我們卻感覺不到相繼兩個粒子之間的時間間隔，它們被一個運動本原所不斷推向前進……」

牛頓在1704年發表了《光學》一書，書中論述了關於光的反射、折射、拐射以及顏色等問題的實驗和討論，也提到了對於光的衍射現象的一些觀察實驗。雖然《光學》一書主要敘述了他的微粒說觀點，但是他也不得不含糊地借用一些波動理論來解釋一些實驗現象。實際上，牛頓在後期的研究中精確地測量了各種顏色光的波長，但他並不將其稱為波長，而且聲明：

「這是何種作用或屬性，究竟它在於光線或媒質，還是別的某些東西的一種圓周運動或是振動，我在此不予探究……」

由於牛頓和惠更斯都提出了有理有據的論證，但又都有一些破綻，所以科學家們分成了兩大陣營，為光的微粒說和波動說吵得不可開交。雖然牛頓含糊地借用了一些波動論的觀點，但由於他的巨大聲望以及著作中實驗和理論分析的嚴謹性，一時間光的微粒學說佔據了上風。

楊氏雙縫干涉實驗

一個世紀以後，情況發生了變化。1807年，英國科學家托馬斯?楊發表了一篇論文，這篇論文里描述了他發現的光的干涉實驗：

「使一束單色光照射一塊屏，屏上開有兩條狹縫，可認為這兩條縫就是兩個光的發散中心。當這兩束光射到一個放置在它們前進方向上的屏上時，就會形成寬度近於相等的若干條明暗相間的條紋……」

這個實驗現在叫做楊氏雙縫干涉實驗，是物理學史上最著名的實驗之一。一束光照射到兩條平行狹縫上（見圖1-1（a）），如果按照牛頓的光粒子理論，這束光只能在兩條狹縫後的屏幕上照出兩條亮條紋，但實驗結果卻是整個屏幕上都出現了明暗相間的條紋（見圖1-1（b）），這不就是波的干涉條紋嗎？托馬斯?楊終於找到了支持波動說的有力證據：光從兩條狹縫中通過後，波峰和波峰疊加形成亮條紋，波峰和波谷疊加形成暗條紋。

托馬斯?楊成功地完成了光的干涉實驗，並由此測定了光的波長，從而為光的波動性提供了重要的實驗依據。

圖1-1 楊氏雙縫干涉實驗示意圖

用單色平行光照射一個窄縫S，即窄縫相當於一個線光源。S後放有與其平行且對稱的兩狹縫S1和S2，雙縫之間的距離非常小，雙縫後面放一個屏幕，則可以在屏上觀察到明暗相間的干涉條紋

泊松的烏龍球

楊氏雙縫干涉實驗拉開了光的波動說對微粒說的反擊序幕。1818年，菲涅耳和泊松又發現光在照射圓盤時，在盤後方一定距離的屏幕上，圓盤的影子中心會出現一個亮斑。這是光的圓盤衍射，是波動說的又一個有力證據。

當單色光照射在寬度小於或等於光源波長的小圓盤上時，會在後面的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋，並且在圓心處會出現一個極小的亮斑，這個亮斑被稱為泊松亮斑（見圖1-2）。

泊松亮斑的發現說起來還是一段歪打正著的佳話呢。

圖1-2 泊松亮斑

1818年，法國科學院提出一個徵文競賽題目：利用精確的實驗確定光線的衍射效應。

當時只有30歲的菲涅耳向科學院提交了應徵論文，他提出一種半波帶法，定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的衍射花紋，得出的結果與實驗吻合得很好。更令人驚奇的是，菲涅耳竟然用波動理論解釋了光沿直線傳播的現象。

競賽評獎委員會中有著名的科學家泊松，但他當時是堅定的光的粒子論支持者，菲涅耳的波動理論自然遭到了泊松的反對。

泊松希望找到菲涅耳的破綻來駁倒他。他運用菲涅耳的理論推導了圓盤衍射，結果導出了一種非常奇怪的現象：如果在光束的傳播路徑上放置一塊不透明的圓盤，那麼在離圓盤一定距離的地方，圓盤陰影的中央應當出現一個亮斑。在當時來說，這簡直是不可思議的，所以泊松宣稱，他已經駁倒了菲涅耳的波動理論。

但是另一位評委阿拉果卻是波動說的支持者，他支持菲涅耳接受這個挑戰。他們立即用實驗對泊松提出的問題進行了檢驗，結果發現影子中心真的出現了一個亮斑，這個實驗精彩地證實了菲涅耳波動理論的正確性。在事實面前，泊松啞口無言。

這件事轟動了法國科學院，菲涅耳理所當然地榮獲了這一屆的科學獎。

令人啼笑皆非的是，原本想反對波動說的泊松，竟然無意中幫了波動說一個大忙，雖然屬於自擺烏龍，但畢竟為波動論進了一球，波動論者也沒有忘記他的功勞，慷慨地把這個現象稱為泊松亮斑。不管泊松願不願意，他在後人心目中已經成了波動學說陣營中的一員大將。

光就是電磁波

隨著時間的推移，波動說又取得了越來越多的證據。英國科學家麥克斯韋在建立電磁理論的研究過程中，於1862年就預見到光是起源於電磁現象的一種橫波，他在相關論文中用斜體字寫道：

「我們很難避免得出這樣的結論，即光是由引起電現象和磁現象的同一介質中的橫波組成的。」

麥克斯韋在多年研究的基礎上，於1873年出版了《電磁通論》一書，指出了光就是電磁波！

麥克斯韋將電磁學裡的四個公式結合起來，提出麥克斯韋方程組。他明確指出，變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，這樣電和磁可以像波（稱為電磁波）一樣在真空中向前傳播而不需要介質。電磁波瀰漫在整個空間，以光速傳播。麥克斯韋同時預測：光就是電磁波。

1879年，麥克斯韋因病逝世，年僅48歲。不少人都喜歡講這樣一個巧合：愛因斯坦正好在1879年出生，莫非冥冥之中二人有著一定的聯繫？遺憾的是，這樣的八卦是經不住檢驗的，因為麥克斯韋在11月5日去世，而愛因斯坦在3月14日就出生了。

雖然麥克斯韋提出了電磁波理論，但不少人對此還是半信半疑。1886年，德國物理學家赫茲發明了一種電波環，他用這種電波環做了一系列實驗，終於在1888年發現了人們期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了世界，麥克斯韋的電磁理論至此取得了決定性的勝利。

於是，可見光、紫外線、紅外線，以及後來發現的X射線、γ射線等這些之前被認為不相干的東西，現在統統被統一成電磁波，光和電磁波也明確地對應起來。至此，波動說終於徹底擊敗了粒子說，至少當時人們都是這樣認為的。

書名：從量子到宇宙

作者：高鵬, 著

出 版 社：清華大學出版社

定價：￥45.00

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