光是波还是粒子

最早对光的本质发表科学见解的人是笛卡尔、胡克和惠更斯。他们认为光是一种波动，是以太的弹性振动。惠更斯把这一认识发展成比较系统的科学理论——波动说。用波动说可以解释光的直线传播、折射、反射和双折射等许多光学现象，但不能说明为什么没有看到光有干涉现象发生。干涉是所有波（例如水波，图1）的共同特点，为何唯独光看不到这种现象？另外，惠更斯认为光波是纵波，因此他的理论也不能解释光学中的偏振现象。

牛顿在研究力学的同时，也对光的本质进行了思考。他认为光不是波动，而是微粒，提出光的微粒说。他把自己的理论写成文章，投给《英国皇家学会会报》。学会的干事长胡克赞同光的波动说，他看了牛顿的文章后，认为牛顿在胡说八道。光怎么可能是微粒呢！光是波动，这个问题已经清楚了。于是他拒绝刊登牛顿的文章。牛顿一气之下，从此再也不给皇家学会会报投稿。所以，牛顿一生发表的论文很少，他的主要研究成果都刊登在他的2本巨著《自然哲学之数学原理》（45岁时发表）和《光学》（65岁时发表）中。当然，还有一些牛顿的短文流传于世，例如《论运动》等。不过这些文章实际上都取自牛顿与友人或同行的通信，而不是专门的科学论文。牛顿常常在信中长篇大论，议论自己的科学观点和成果，后人便把这些内容一段段截取下来，作为短文刊登出来。

刚开始，光的波动说稳如泰山。因为当时的牛顿毕竟还是个小人物，比不上已经名闻学术界的笛卡尔、惠更斯和胡克。所以牛顿的微粒说影响不大。知道牛顿观点的人不多，而且知道的人也不大相信。

有趣的是，牛顿在光学实验中观察到的“牛顿环”现象，实际上就是光的干涉现象，但牛顿没有认识到这一点，仍然用光的微粒说解释这一现象。波动说的拥护者也没有抓住这一点来反击微粒说。

后来，随着牛顿在力学研究上的巨大成功，他光学方面的观点也越来越被大家重视。大家想，牛顿这么伟大，他的力学理论这么完美，光学理论也肯定有道理。何况光的波动说无法说明为何看不到光的干涉现象，而微粒说没有这个困难，微粒流当然不会有干涉现象。

这样，光的微粒说就战胜了波动说。在光究竟是波还是粒子的争论中，微粒说赢得了第1个回合。

牛顿的微粒说统治了光学100多年，直到1801年情况发生了逆转。那一年英国青年科学家托马斯·杨完成了双缝干涉实验，证实了光不是微粒而是波。他发展了惠更斯的波动理论，进一步指出，光波与声波不同，声波是纵波，而光波是横波，从而解释了光波的偏振现象。

英国人托马斯·杨（ThomasYoung）是历史上有名的神童、才子，2岁就能读书，4岁时将《圣经》通读了2遍。他l4岁时已通晓拉丁语、希腊语、法语、意大利语、希伯来语、波斯语和阿拉伯语等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等领域都有贡献。托马斯·杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。此后他又破译了埃及的拉希德石碑上的一些文字，对考古学作出了重大贡献。

考虑到牛顿在学术界和英国人民心中的神圣地位，托马斯·杨在阐述自己的光学工作时小心翼翼，他说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的，我……遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时会阻碍科学的进步。”

尽管托马斯·杨是个有名的神童，而且他在挑战光的微粒说时小心谨慎，一再声明他对伟大牛顿的敬仰，但还是遭到了抨击。有人指责他的文章没有任何价值，他的实验根本称不上是实验，他的干涉理论“荒唐”而且“不合逻辑”。在一二十年间，托马斯·杨的工作没有人支持，他的论文很难发表。他不得不自费印了一些小册子来传播自己的成果，但仍几乎无人理睬。

但是物理学是一门实验的科学、测量的科学，事实胜于雄辩，经过十几年的努力，学术界终于承认了光的波动说，摒弃了伟大牛顿提出的微粒说。这样，在波动说与微粒说的斗争中，波动说赢得了第2个回合。

麦克斯韦从小就好奇心很强，问题多得不得了，而且经常坚持自己的看法，很难说服他。麦克斯韦的父亲对此很高兴，他知道，强烈的兴趣和求知欲，是孩子成才的最好动力。正如一位学者所说：“毅力，勤奋，入迷和忘我的出发点，实际上在于兴趣。有了强烈的兴趣，自然会入迷，入了迷自然会勤奋，有毅力，最终达到忘我。”

麦克斯韦l9岁进入剑桥大学学习，这是一所不断涌现科学明星的大学，牛顿和达尔文都毕业于此。他在学校里显现出很高的数学、物理才华，毕业后留校工作，致力于电磁学的研究。

29岁时，麦克斯韦拿着自己的论文贸然登门拜访了年近七旬的法拉第，虚心向他求教。法拉第肯定了他是真正理解自己电磁学说的人。法拉第鼓励他说：“你的论文是一篇出色的文章，但你不应局限于用数学来解释我的见解，而应该突破他。”麦克斯韦大受鼓舞和启发，决心自己也要像牛顿那样，“站在巨人的肩上”去摘取新成果。不久之后，他就总结前人的众多成果，如库仑定律、安培定律、比奥 萨发定律、电磁感应定律等，进一步把法拉第的电力线、磁力线思想，用严密的数学发展成一套完备的电磁方程组，即今天的麦克斯韦电磁理论。这一成果，使麦克斯韦成为当时继牛顿之后最伟大的物理学家。

麦克斯韦的理论是正确而伟大的。除去总结归纳了前人的成果外，麦克斯韦还提出了“电势”和“磁势”的概念。长期以来，人们认为只要用电场强度和磁场强度这2个概念，就足以描述电磁理论，电势和磁势可有可无，最多也就是在某些场合下用起来方便一些。不过，近年来规范场论的研究表明，电势和磁势还藏有电磁场强没有包含的重要信息。

另外，麦克斯韦发现电磁场变化的波动，即电磁波，是以光速传播的。他正确地认识到了光波就是电磁波，大大推动了光学的研究。

现在，人们看到了光波的本质。光不仅是“波动”，而且本质是一种电磁现象，是电磁波，从而进一步推进了光的波动说。