光，你究竟是個(gè)什么東西?

劉晨

光是什么？

光是什么？

我們從一些自然現(xiàn)象中可能會(huì)有所感悟：當(dāng)我們經(jīng)過茂密的樹林時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光穿過樹葉的間隙，像一條線一樣投射到地面，這時(shí)我們可以說：光是沿著直線傳播的。也就是說，光就像一條射線（這是幾何光學(xué)的理論基礎(chǔ)）。從這個(gè)角度來分析，光應(yīng)該是一種粒子，這些粒子在空間是沿著直線傳播的。

另一方面，根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，我們從麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組中可以計(jì)算出光的傳播速度，并因此得出一個(gè)結(jié)論：光波是電磁波。光的電磁理論使我們對(duì)光有了十分深入全面和詳細(xì)的理解，但問題依然沒有完全解決，我們依然不知道什么東西的振動(dòng)能夠產(chǎn)生光波。

光到底是什么？曾有一位記者向英國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布拉格請(qǐng)教：光是波還是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五，它是一個(gè)波，星期二、四、六，它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息”。

從這一段話中，我們可以看出：光既具有粒子性。又具有波動(dòng)性，換句話說，波動(dòng)性和粒子性都是光本身的屬性。在不同的情況下，光呈現(xiàn)的形式是不一樣的。有時(shí)光的波動(dòng)性更明顯，有時(shí)光的粒子性更明顯。

我們這樣認(rèn)識(shí)光

關(guān)于光的本性，最早見于笛卡爾的著作《折光學(xué)》一書中。在書中，笛卡爾提出了兩種假說：一種假說認(rèn)為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)，而另一種假說則認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力。笛卡爾一下子就提出了光的本質(zhì)的兩種設(shè)想，而這兩種設(shè)想直接引發(fā)出后來的兩種學(xué)說——微粒說和波動(dòng)說，并為以后三百多年的兩種學(xué)說的爭(zhēng)論打下了伏筆。

光是粒子

牛頓學(xué)派認(rèn)為，光的本質(zhì)與通過它反射而可見的實(shí)體物質(zhì)一樣，是一種粒子。

最早提出這一觀點(diǎn)的是法國(guó)一位數(shù)學(xué)家，名叫皮埃爾·伽森，牛頓將這個(gè)觀點(diǎn)加以發(fā)展，并于1675年提出一種設(shè)想：“光是一群難以想象的細(xì)微而迅速運(yùn)動(dòng)的大小不同的粒子”，這些粒子被發(fā)光體“一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射出來”。

牛頓曾用微粒說來闡述光的顏色理論。1672年，牛頓在他的論文《關(guān)于光和色的新理論》中談到了他所做的光的色散實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，牛頓讓太陽(yáng)光通過一個(gè)小孔，照射到放在屋內(nèi)的一個(gè)三棱鏡上，在對(duì)面的墻壁上，得到一個(gè)彩色的光譜。牛頓認(rèn)為，會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楣獾膹?fù)合和分解導(dǎo)致。就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。

光的微粒說雖然能解釋一些光學(xué)現(xiàn)象，如前文中提到的光的直線性傳播、光的反射和折射等，但卻無法解釋另外一些光學(xué)現(xiàn)象，比如當(dāng)一束光入射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，不但有反射，還有折射——根據(jù)粒子說，光是粒子，就只能有反射，沒有折射——顯然微粒說在解釋這一點(diǎn)時(shí)遇到了很大的困難。另外，當(dāng)兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播而不相互影響，這一常見的現(xiàn)象，微粒說也完全無能為力。

光是波

1666年，惠更斯工作之余從巴黎科學(xué)院到英國(guó)旅行，并在劍橋拜會(huì)了牛頓。二人就光的本性交流了各自的看法，在交談中，牛頓與惠更斯產(chǎn)生分歧，因?yàn)槟菚r(shí)牛頓贊同粒子說，而惠更斯則傾向于波動(dòng)說。正是這種爭(zhēng)論，激發(fā)了惠更斯對(duì)光的本性的探索的強(qiáng)烈欲望?；氐桨屠韬螅莞怪貜?fù)了牛頓所做的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)，牛頓的很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象是微粒說所無法解釋的，為此他提出了一套比較完整的光的波動(dòng)學(xué)說的理論。

光的波動(dòng)說認(rèn)為：光是一種機(jī)械波，傳播它的是物質(zhì)的載體“以太”。根據(jù)這個(gè)理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好地解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象以及“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)。

隨之，麥克斯韋在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步指出光是一種電磁波，由此，光的波動(dòng)性理論在與粒子說的較量中，取得了決定性的勝利。

就在惠更斯積極傳播光的波動(dòng)性的同時(shí)，牛頓的粒子說學(xué)派也不甘落后，也逐步建立起自己的理論體系。牛頓在他的著作《光學(xué)》中，對(duì)惠更斯的波動(dòng)說進(jìn)行了反駁，他指出：光如果是一種波，那么它應(yīng)該能夠像聲波一樣，繞過障礙物，但事實(shí)上，光經(jīng)過障礙物，會(huì)形成一個(gè)影子，這是波動(dòng)說所無法解釋的。

延伸閱讀

泊松亮斑

1818年，巴黎科學(xué)院舉辦了一次規(guī)模很大的科學(xué)論文競(jìng)賽，用于懸賞對(duì)光的衍射方面有成就的論文。波動(dòng)說的支持者，著名科學(xué)家菲涅爾提交了一篇論文，在這篇論文中，菲涅爾將惠更斯學(xué)說加以發(fā)展，提出了著名的關(guān)于波動(dòng)光學(xué)的一個(gè)數(shù)學(xué)理論——菲涅爾公式。但因?yàn)樵u(píng)委大都支持微粒說，因此對(duì)菲涅爾的論文提出了異議，其中，反對(duì)最為激烈的是微粒說的支持者泊松。賽后，他花了很多時(shí)間和精力，根據(jù)菲涅爾提出的新理論，推導(dǎo)出一個(gè)奇怪的現(xiàn)象——泊松根據(jù)菲涅爾的公式推算出圓屏衍射（光通過一個(gè)圓盤后產(chǎn)生的衍射）的衍射圖案，在圓屏的陰影中央應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)亮斑！

光通過一個(gè)不透明的圓盤，怎么可能在圓盤的后面中心處，出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)？應(yīng)該是一個(gè)暗點(diǎn)才對(duì)！這是根本不可能的事情，泊松非常高興，他自認(rèn)為找到了否定菲涅爾理論的依據(jù)。

但是菲涅爾也不示弱，他堅(jiān)信自己的理論是正確的。為了證明其正確性，菲涅爾現(xiàn)場(chǎng)給評(píng)委做了一個(gè)圓屏衍射的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，果然在圓盤的后面中心處出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)，這個(gè)亮點(diǎn)后來被人們稱為“泊松亮斑”。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了菲涅爾公式的正確性，從而也間接證明了光的波動(dòng)理論的正確性，因?yàn)榉颇鶢柟绞峭ㄟ^光的波動(dòng)理論得到的。

光具有波粒二象性

現(xiàn)在的情況大家知道了：光的波動(dòng)說和光的粒子說，都有一定的正確性，但都有局限性，都能解釋一部分光的現(xiàn)象，又不能解釋一部分光的現(xiàn)象，這兩派提出的理論體系都不圓滿，歷史需要一個(gè)人能站出來，提出新的學(xué)說，來消除粒子說和波動(dòng)說這兩大學(xué)說的局限性，圓滿地解釋所有出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象。歷史選擇了愛因斯坦。

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，這時(shí)光的粒子性再一次浮出水面。到了20世紀(jì)初，著名科學(xué)家普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學(xué)說。1905年，愛因斯坦在德國(guó)著名雜志《物理年報(bào)》上發(fā)表了一篇題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測(cè)性觀點(diǎn)》的研究論文，在這篇論文中，愛因斯坦認(rèn)為：對(duì)于時(shí)間的平均值，光表現(xiàn)為波動(dòng)，對(duì)于時(shí)間的瞬時(shí)值，光表現(xiàn)為粒子性。這個(gè)觀點(diǎn)非同尋常，它是人類歷史上第一次揭示出微觀客體波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。這標(biāo)志著對(duì)光的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代——一個(gè)屬于愛因斯坦的時(shí)代。1921年，愛因斯坦因這一成就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在“波粒二象性”這一新的事實(shí)和理論面前，所有科學(xué)家折服了，人們不得不認(rèn)為它是正確的，是目前唯一能夠用它來解釋所有光學(xué)現(xiàn)象的理論和學(xué)說。光的波動(dòng)說和光的粒子說之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”這一離奇的觀點(diǎn)而落下了帷幕。

光的真面目

即使人們從理論上已認(rèn)為愛因斯坦的結(jié)論是正確的，但卻無法在實(shí)驗(yàn)中得以證明，因?yàn)槿藗兒茈y在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)看到光的波動(dòng)性和光的粒子性這兩種現(xiàn)象。

最初，人們只能利用光通過一小孔，成像在后面的底片上來觀察。當(dāng)曝光時(shí)間較短時(shí)，底片上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)的小光點(diǎn)，顯示了光的粒子性;而當(dāng)曝光時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，則在底片上顯示了波的條紋，這表明光是一種概率波，光子落在某些區(qū)域的可能性較大，而落在另外一些區(qū)域則較小。這也說明，光子在空間出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行解釋。盡管這一實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明一些問題，但并不能夠使人折服，因?yàn)槿藗儾]有從實(shí)驗(yàn)中直接用肉眼同時(shí)看到光的粒子性和光的波動(dòng)性。

2015年3月10日，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家首次通過實(shí)驗(yàn)拍攝到同時(shí)以波和粒子形式存在的光線照片，從而從實(shí)驗(yàn)上證明了愛因斯坦的光的量子理論——即光同時(shí)表現(xiàn)出波和粒子的兩種特性。

“光同時(shí)具有波粒二象性”這一令現(xiàn)代科學(xué)界最難以捉摸的觀點(diǎn)，終于被科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中觀察到。

光的本質(zhì)是“波粒二象性”，既是波，也是粒子，這是兩種明顯矛盾的混合體。它是現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)，光的波粒二象性不同于牛頓曾提出的微粒說，也不同于惠更斯提出的波動(dòng)說，而是它們的統(tǒng)一。

打個(gè)比方，現(xiàn)在在我們面前擺放著一個(gè)杯子，這個(gè)杯子兩面的圖案是不同的，這時(shí)，我們從一側(cè)看過去，杯子顯現(xiàn)一種圖案，而從杯子的另一側(cè)看過去，杯子顯現(xiàn)出另一種圖案。這兩種圖案都不能代表整個(gè)杯子的圖案，而只能代表杯子的一個(gè)側(cè)面。杯子的圖案是什么？它是兩側(cè)圖案的混合體或者稱之為統(tǒng)一體，這就是光的波粒二象性與光的粒子性和光的波動(dòng)性之間的關(guān)系！