光是什么

劉樹田

光是什么？這是一個古老而又新穎的問題。古代學(xué)者對“光是什么”的答案是十分幼稚的，有的人認為光是從眼睛里射出的特別細的觸須，當(dāng)觸須接觸到物體時便產(chǎn)生了視覺。還有的人認為光是沿直線高速運動的粒子流，人的視覺就是光粒子進入眼睛引起的。對“光是什么”真正意義上的科學(xué)研究是從17世紀(jì)開始的，從17世紀(jì)到20世紀(jì)，歷經(jīng)300多年來探索與爭論，人們逐步揭開了“光”的神秘面紗。

粒子說PK波動說，楊氏實驗來定奪

17世紀(jì)人們對光學(xué)的研究取得了較大的進展，形成了以牛頓為代表的粒子說派和以惠更斯為代表的波動說派。在當(dāng)時情況下，粒子說和波動說是兩種對立的理論，兩者之間發(fā)生了激烈的爭論。

粒子說認為光是一種粒子。粒子說能成功解釋“光的沿直線傳播”和“光的反射”兩個現(xiàn)象，這只需與力學(xué)中小球的運動類比一下就可以理解了。但粒子說不能解釋“光的獨立傳播”現(xiàn)象。所謂光的獨立傳播現(xiàn)象，是指幾束光交叉的時候互不干擾而保持各自的狀態(tài)不變。如讓一束紅光和一束綠光交叉而過，就會發(fā)現(xiàn)兩者相遇后各自的顏色、傳播方向沒有任何變化。如果光束是一系列小粒子組成的，那么紅光束中的光粒子和綠光束中的光粒子必然因為碰撞而改變運動方向，這樣兩者交叉后就不可能沿各自的原來方向運動了。

波動說認為光是一種波。波動說能成功解釋“光的獨立傳播”現(xiàn)象，因為所有的機械波都遵守獨立傳播原理。如兩個人在房間里同時講話，他們的聲波決不會因為交叉而變成別的聲音，而是保持各自的特征不變。用波動說還可以方便地解釋光射到兩種物質(zhì)的界面上時同時發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。但波動說卻不能解釋“光的直線傳播”現(xiàn)象。因為按照波動理論，波是可以繞過障礙物的，如聲波很容易繞過障礙繼續(xù)傳播。但人們卻從未看到過陽光繞過人體的現(xiàn)象。

由于當(dāng)時牛頓崇高的學(xué)術(shù)威望，粒子說在整個18世紀(jì)都壓制著波動說。歷史的車輪剛駛進19世紀(jì)，一個巧妙的物理實驗，讓波動說枯木逢春，這就是著名的托馬斯·楊的光的雙縫干涉實驗。如圖所示是用現(xiàn)代激光做的楊氏實驗：讓激光射到有雙狹縫的擋板上，兩條狹縫相距很近。光到達雙縫被一分為二，這樣就得到了兩束振動情況完全相同的光，這兩束光在相遇的區(qū)域疊加，在光屏上出現(xiàn)奇妙的明暗相間的條紋，這就是光的干涉現(xiàn)象。人們早已知道水波、聲波等機械波都能發(fā)生干涉現(xiàn)象，既然光也能發(fā)生干涉現(xiàn)象，所以光也是一種波！

麥?zhǔn)咸岢鲭姶耪f，赫茲實驗來驗證

楊氏實驗證明光是一種波，卻沒有說明是什么波。到了19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋提出了電磁波的理論，并且從理論上得到電磁波的傳播速度與實驗測得的光速相同。在這個基礎(chǔ)上，他大膽的提出：光是一種電磁波。1888年，德國物理學(xué)家赫茲用實驗證明了麥克斯韋的電磁說是正確的。至此，人們對光的本性的認識又前進了一大步。

在19世紀(jì)，光的波動說可謂春風(fēng)得意、日臻完善，而粒子說則幾乎被人們忘記了。不料“樂極生悲，否極泰來”。19世紀(jì)末的一個新現(xiàn)象，給得意的波動說當(dāng)頭一棒！這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。

光電效應(yīng)出難題，愛因斯坦巧解惑

把用弧光燈照射鋅板，驗電器的指針就張開一個角度，表示鋅板帶了電。進一步檢查知道鋅板帶的是正電。這說明鋅板中的一部分自由電子在弧光照射下從表面飛了出去。在光照射下從物體中發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，如下圖。

進一步研究發(fā)現(xiàn)：任何一種金屬，如果入射光的頻率小于某個值，無論光的強度多大，照射時間多長，都不能發(fā)生光電效應(yīng)。這一現(xiàn)象是不能用波動說解釋的。按照波動理論，光的能量由光的強度決定，而強度又由振幅決定，跟頻率無關(guān)，所以入射光的頻率不該是發(fā)生光電效應(yīng)的條件。光的波動說與實驗事實矛盾，令人很困惑！

每當(dāng)已有的理論不能解釋新的物理事實時，就意味著物理學(xué)理論的革命到來了。愛因斯坦認為，如果把光看成粒子，就可以破解這個難題。他提出：光的發(fā)射、傳播和接受都是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子。光子的能量跟它的頻率成正比。既然光是粒子，能量由頻率決定，那么光電效應(yīng)現(xiàn)象就可以圓滿解釋了。

光的干涉現(xiàn)象證明光是波，光電效應(yīng)現(xiàn)象又證明光是粒子。光到底是什么？愛因斯坦的回答是：光既是波，又是粒子，即光具有波粒二象性。波動性和粒子性是光同時具有的兩個屬性，就像一枚硬幣的兩面。至此，光的本性歷經(jīng)300多年之爭，終于以波動說和粒子說握手言和而告一段落。

當(dāng)然，對光的本性的探索還有許多令人感興趣的課題，如光子可以再分嗎？如果可以再分，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何？等等。總而言之，在光這個最常見、最古老而又最深刻、最豐富的課題上，未來還會有許多新的發(fā)現(xiàn)。