光是微粒还是波波粒二象性

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上篇文章我们了解了科学的研究对象——物质。物质包括实物粒子和场。电磁学是研究电子和电磁场的，我们很快将在下篇文章开启电磁学之旅。在这之前，我们研究一下另一个物质——光子。我们知道物理上有力热声光电磁这样的分类，我们已经学习了力和热，今天就讲讲光，顺便说说声，因为声和光有共同的特征。

我们每天都有接触到光，自从有了电灯的发明，我们夜晚也是充满了光。即使在没有电灯的日子里，人们夜晚还有烛光、月光、萤火虫的光等等。那么你有没有想过光是什么呢？《圣经》里说，上帝说要有光，就有了光。这等于啥也没说，因为它不具有证伪性，不属于科学。古希腊人曾经认为，光是人眼睛里流出来的东西。古希腊人为什么这样说呢？因为人只有睁开眼睛才能看见世界。想推翻这个观点很容易，只要把一个人放在黑暗里就行了，不管他怎么睁眼睛，我相信他都是什么也看不到的。

光学传统上分为两类：几何光学和物理光学。几何光学是研究光的传播和成像规律的。简单地说，几何光学仅仅就是对光的描述。这部分相当于力学中的运动学。几何光学主要的内容有：光的直播传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、光程可逆性原理。我们下面分别简单描述一下。

光的直播传播定律说，光在均匀媒质中沿直线方向传播。例如，物体的影子。光的独立传播定律说，两束光在传播途径中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播；而当两束光汇聚于同一点时，在该点上的光能量是简单相加的。例如，两个手电筒同时照一个东西。反射定律和折射定律说，光传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射。反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。例如，水杯中的筷子看起来好像断了，这是光的折射造成的。光程可逆性原理说，一束光线从一点出发经过无论多少次反射和折射，如在最后遇到与光束成直角的界面反射，光束必然准确地循原路返回出发点。例如，如果你能看见一个人，原则上他也能看见你。

我们知道物理从来不会满足于只对事物的描述上，它还要探究事物运动背后的机制。物理光学就是探究光的属性的学科，它相当于力学中的动力学部分。关于光的本质的探索，会引出一场跨世纪的关于光的大论战。整个时间跨度竟然几乎是物理学从诞生到现在。接下来让我们和历史的脚步一起去见证物理学家对光的认识。

近代物理始于伽利略和牛顿，牛顿在科学上做出了很多贡献，除了我们之前介绍的力学，他在光学上也有不错的成就。因此牛顿除了《自然哲学的数学原理》之外，还写了另一本科学著作叫做《光学》。牛顿对于光学最大的贡献是精确地进行了光的色散实验，指出日光由不同颜色的光混合而成。除此之外，牛顿认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀介质内遵从力学定律作匀速直线运动，并且用这种观点解释了光的反射和折射现象。牛顿对光的这种认识形成看光的微粒说。

其实在牛顿之前也有一位伟大的科学家写了一本关于光学的书，这本书叫做《光论》，这位伟大的物理学家就是荷兰的惠更斯。惠更斯是一位介于伽利略和牛顿之间的一位重要的物理学先驱，他是第一位英国皇家学会的外籍院士。惠更斯的主要成就是：建立了向心力定律、提出动量守恒原理、改进了计时器。惠更斯提出的动量守恒原理就是牛顿第二定律的原型。世界上的第一块机械表就是惠更斯制作的。惠更斯从小体弱多病，热爱科学，终生未婚。惠更斯先于牛顿提出了对光的本质的解释，他认为光同声一样是一种波动，并且提出了惠更斯原理。这就是光的波动说，光的波动说也可以解释光的反射和折射现象。

惠更斯原理是这样的，对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。

从惠更斯原理中我们可以知道什么？我们可以知道波其实不是一种真实的物质，它是一种不同物质振动所形成的一种形式。这就好比一群台上表演者共同演绎海水的波动，大家每个人都在原地上做动作，但是整体上会形成一种波动的视觉效果。声音也是一种波，它也是这种类似的原理。声音的产生需要一个声源和传播介质，例如一个人在空气中说话，声音的振动会带动周围的空气的振动，从而将声音以波的形式传播出去。

现在关于光的本质是什么，已经有两种学说了。最早的是惠更斯的波动说，然后是牛顿的微粒说。惠更斯和牛顿差不多同时代。那么这两种学说到底哪一个是正确的呢？这就引发的这场跨世纪大辩论。惠更斯说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。当然这立马遭到了牛顿强烈的反对。

惠更斯和牛顿之间关于光的争论还没有开始就以牛顿的胜利结束了，牛顿的微粒说成为了主流学说，并且占据历史几乎长达近三百年。这原因是多方面的，例如惠更斯的早逝，牛顿因为力学上的成功名声大振等等。但是最重要的当时实验条件的限制，科学家无非通过实验很容易地去验证惠更斯和牛顿的理论。

牛顿和惠更斯关于光学本质的争论是在17世纪，之后牛顿的微粒说就统治了科学界。直到19世纪托马斯·杨做了双缝干涉实验，这才拉开了光的波动说的复兴。托马斯·杨的双缝干涉实验被评为历史上最伟大的十大实验之一，并且排名第一。法国科学家菲涅尔也研究了光的衍射现象，并且完善了惠更斯原理，极大地推动了光的波动说的发展。衍射现象是判断一个物体是不是波的一个最重要的的依据。后来电磁学的大厦慢慢建了起来，麦克斯韦的研究指出光是一种电磁波，这个结论被德国物理学家赫兹的实验证实，这时候光的波动说才取得完全的胜利。

一般故事到这里是不是就结束呢？惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。我们知道光是一种波动。但是很可惜，光的波动说并没有胜利太久，年爱因斯坦的光电效应就又推翻了光的波动说。光电效应说明了光具有粒子性，爱因斯坦称它为“光量子”。爱因斯坦就是因为光电效应的解释而获得诺贝尔物理学奖的。关于光电效应我们不在这里做过多介绍，这已经快到量子力学部分了，以后我们再细讲。你是不是觉得科学比影视剧还狗血，这说明科学的发展是艰难而曲折的。

那么我们现在问光到底是什么呢？是牛顿的微粒？是惠更斯的波动？是爱因斯坦的“光量子”？答案是——都是也都不是。你肯定惊讶的下巴都快掉下来了。经过几番折腾，光竟然是这么一个奇怪的东西——它既是粒子又是波——这就是科学上光的波粒二象性。

从今天起，你可能要慢慢习惯物质的这种奇特属性了。不仅光有波粒二象性，而且一切物质都有波粒二象性。所以这种波被称为德布罗意物质波，是法国物理学家德布罗意首先提出来的。物质波和一般的波的区别是——物质波的传播不需要传播介质。我们知道声波的传播是需要介质的，声音在真空中是不可以传播的。所以航天员之间的交流要通过电磁波传播的。

我们一路走来，越来越接近神奇的量子力学了。是的，就让我们慢慢走近它吧。但在到达量子力学之前还有两座大山需要我们去攀爬，这两座大山是电磁学和相对论。希望我们能坚持前行，有所收获。最后想强调一下波的重要性。波在物理上是一个非常重要的概念，波在我们的日常生活中也很普遍。关于波的描述有波动方程，可以描述自然界的各种波动现象，例如声波、光波和水波。描述量子力学的薛定谔方程其实也是一个波动方程。

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