上帝說：要有光!于是有了光，大地有了光明，人間充滿無限歡騰?？墒侨f能的上帝遺留給人類一個極其困惑的問題——光是什么?千百年來，無數(shù)學(xué)者和哲人為這個問題苦苦思索，圍繞這個問題的答案幾乎囊括了人類史上最聰明的智慧。喜歡討論問題的古希臘人對光充滿著好奇，畢達哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發(fā)射的一種東西，遇到障礙物即被彈開。而后托勒密在《光學(xué)》一書中描述了光的折射現(xiàn)象，達芬奇也描述過光的反射現(xiàn)象等并試圖做出解釋，而后開普勒及斯涅耳的實驗給出了光的折射定律的數(shù)據(jù)，只是，他們并沒有發(fā)表其研究。直到數(shù)學(xué)家笛卡爾在《屈光學(xué)》中提出了光的折射定律的數(shù)學(xué)幾何形式表達，他同時留下了對光的兩種可能性解釋：一是說光是類似于微粒的物質(zhì)；二是說光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力，可能是波。光究竟是什么?無數(shù)人繼續(xù)為此探討乃至于爭論。

“波動說”和“微粒說”的最韌論戰(zhàn)

光可能是波，意大利數(shù)學(xué)家格里馬蒂如是說。他讓一束光穿過兩個小孔并投影到暗室屏幕上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在投影屏幕上有明暗相問的條紋。這和水波的衍射非常相似一說明了光的波動性。

光應(yīng)該是波，英國物理學(xué)家胡克如是說。因為他用肥皂泡和薄云母重復(fù)了格里馬蒂的實驗，他認為“光是以太的一種縱向波”，而且光的顏色和其頻率有關(guān)。

光怎么會是波，明明是粒子嘛，英國物理學(xué)家牛頓如是說。1666年牛頓利用三棱鏡發(fā)現(xiàn)一束白光可以分成不同顏色的光，而不同的單色光也可以合成為白光，為此他成功解釋了光的色散現(xiàn)象。牛頓的分光實驗讓光學(xué)從幾何光學(xué)跨入到了物理光學(xué)。牛頓認為光應(yīng)該是由微粒組成，并且走最快速直線路徑，光的，分解和合成就是不同顏色的微粒分開和混合的結(jié)果。

于是圍繞這個問題就有了兩大門派——“波動說”和“微粒說”。其實牛頓起初并不特別反對波動說，但“微粒說”對胡克等前人的“波動說”發(fā)起了挑戰(zhàn)，一系列爭論最終導(dǎo)致了牛頓和胡克的終身私人仇恨。胡克說牛頓的一些研究是以他的研究為基礎(chǔ)的，牛頓便冷笑道：“那么說我就是站在巨人的肩膀上了!”1678年，荷蘭人惠更斯出版了《光論》并公開演說反對微粒說。牛頓非常生氣——作為當(dāng)時全世界最聰明的人，他很快就找到了波動說的脈門，并且用微粒說解釋了光的現(xiàn)象。這些理論寫在了他的《光學(xué)》一書里，該書出版時，胡克和惠更斯已不在人世，“波動派”便衰微不振。牛頓利用他在力學(xué)上的卓越聲望，輕松地把“微粒派”發(fā)展壯大并一統(tǒng)江湖。雖然不是千秋萬載，但卻統(tǒng)治了整個18世紀，這就是權(quán)威的力量。

東山再起的“波動說”

歷史的車輪總是滾滾向前的，在新自然哲學(xué)思潮下，權(quán)威也未必不被人懷疑。1800～1807年，托馬斯·楊再次扛起了波動說的大旗。作為新一代掌門，楊用物理學(xué)最有力的研究方法——理論預(yù)言加實驗驗證、然后再理論解釋，從而逐漸完善了波動說。楊首先把光和聲波進行對比，認為光同樣存在疊加后增強或減弱的現(xiàn)象——光的干涉。他做了著名的楊氏雙縫干涉實驗并邁出了理論上的關(guān)鍵一步：光不是縱波，而是橫波(傳播方向與振動方向垂直)。10年后，法國土木工程師菲涅爾發(fā)揮業(yè)余興趣，從理論上給出了光的干涉預(yù)言，并在了解托馬斯·楊的工作之后進行了實驗驗證，成功建立了光的橫向傳播理論。之后，波動派終于東山再起，而且還不斷發(fā)揚光大。19世紀后期，法拉第等人對電磁學(xué)的深入研究讓人們初步形成一個概念：光其實就是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程完美地解釋了所有電磁學(xué)現(xiàn)象，并且由此推論出電磁波的存在且以光速傳播，我們看到的可見光實際上不過是電磁波的一種。1888年德國的赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在!光不僅僅是波，而且是電磁波，除了光之外，無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等等都是電磁波，它們之間的區(qū)別在于頻率不同而已。波動說至此可謂達到了完美。

“波動說”的煩惱

可是，再完美的學(xué)說也有瑕疵，人們始終為一個問題而困惑：既然光是波，那么傳播光的載體是什么?笛卡爾說是以太，那么以太是什么?怎么我們?nèi)祟惪床坏?以太，英文Ether，來自希臘語，原意指的是天上諸神呼吸的空氣，康有為和譚嗣同等認為以太是無色、無味、無聲、無所不在于宇宙間的物質(zhì)，孔子的“仁”、墨子的“兼愛”、佛教的“慈悲”、基督教的“靈魂”等都是以太的作用所致。簡而言之，以太就是前無古人后無來者的最最神秘的物質(zhì)，尋找以太的過程也充滿著哲學(xué)和宗教的意味，以太成為19世紀的物理學(xué)家們最為津津樂道的話題。根據(jù)已知的光的性質(zhì)，大家猜測以太是一種傳播橫波的固體介質(zhì)，它是一個絕對靜止的參照系。但是由此一來，固態(tài)的以太則可能影響天體的自由運動，而橫向的振動也很可能引起縱向的振動。關(guān)鍵時刻還是需要實驗來說話，英國邁克爾遜和莫雷在1887年做了所謂的“以太漂移”實驗。這是一個非常精巧的實驗：如果地球是相對于絕對靜止的以太運動，那么若光線沿此運動方向傳播則是光速和地球運動速度的疊加，而沿著垂直該方向傳播的速度則要小一些。他們將一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光，通過測量兩束光形成的干涉條紋數(shù)目，可以精確地得到兩者的光程差，進一步得到兩束光的速度差別。因此，只要將干涉儀沿著不同方向測量，就可以判斷地球相對于以太運動的速度方向和大小。結(jié)果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向幾乎不變，換句話說，以太是不存在的!人們開始惶然不知所措。事實上，在實驗結(jié)果出來之前，瑞士某專利局的一名小職員就指出，如果放棄所謂絕對時間之類的概念，那么絕對靜止的參照系——以太的概念也可以扔掉。人們要接受光速不變原理，那么就可以得到物體在接近光速情況下高速運動的物理、學(xué)，在那里運動的鐘會變慢，運動的尺子會縮短。這個新物理學(xué)叫相對論，那位叫愛因斯坦的小職員作為20世紀最為卓越的物理學(xué)家開創(chuàng)了現(xiàn)代物理新世界。

波動說的煩惱還不僅僅在于找不到“以太”這個載體，更可怕的烏云一朵接一朵地飄來。當(dāng)時的實驗還有另一個現(xiàn)象：當(dāng)用紫外線照射兩個金屬球時，電火花似乎更易出來，即光對金屬的照射可以產(chǎn)生電子。這就是光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦后來對其做出了解釋，他認為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子將吸收其能量并逃逸出來。光的微粒說再次浮出水面!愛因斯坦把光的微粒叫做“光子”。光子的概念并不是他的原創(chuàng)，而來自于德國的普朗克對黑體輻射的解釋。普朗克通過引入一個新的概念——把光的能量分成不連續(xù)的許多份，每一份叫做能量的“量子”，通過統(tǒng)計能量量子的分布，就可以得到完全符合實驗譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續(xù)的量子化，這在當(dāng)時絕大部分科學(xué)家心目中是不能接受的。普朗克也因為引入能量量子而心中不安，他甚至內(nèi)疚地認為不應(yīng)該對經(jīng)典的電磁理論提出質(zhì)疑，因為它是那么地完美無瑕。只有年輕大膽的愛因斯坦，不僅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應(yīng)。新的微粒說——光的量子說由此誕生。

粒子就是波?

如果光具有量子化的粒子性，那么其他電磁波會如何?1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)x射線被電子散射后頻率會變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問題是，那原先人們認為是粒子的電子等會不會有波動性呢?1927年，杰默爾和湯姆森先后證實了電子束的波動性質(zhì)，隨后人們還發(fā)現(xiàn)氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質(zhì)。事實上，如果讓可見光、x射線、電子甚至中子穿過合適的物質(zhì)都可能發(fā)生衍射現(xiàn)象，即波強度存在增強和減弱的效應(yīng)，而“合適”的物質(zhì)，實際就是其間隙和射線的波長相比擬——這正是波發(fā)生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波?既是粒子也是波?既不是粒子也不是波?徹底把大伙兒給搞糊涂了。

正是在粒子和波的一片混亂之中，物理學(xué)迎來了史上最偉大的一場革命一量子力學(xué)誕生了。早在1913年，玻爾就用量子化的能量概念成功解釋了原子的行星模型。1924年，法國的德布羅意提出了波粒二象性的概念，不只是光具有波粒二象性，幾乎所有微觀粒子或者電磁波都是如此，這么一來，粒子就是波，波就是粒子，兩者是同一物體上的兩種屬性而已。

到了今天，關(guān)于光的粒子說和波動說的論戰(zhàn)逐漸變成了遙遠的傳說，只在歷史的長河上，留下了無數(shù)智者的身影，照耀著后人的前行。(文章代碼：101504)

[責(zé)任編輯]李軍