光，你究竟是个什么东西?

刘晨

光是什么？

光是什么？

我们从一些自然现象中可能会有所感悟：当我们经过茂密的树林时，会发现太阳光穿过树叶的间隙，像一条线一样投射到地面，这时我们可以说：光是沿着直线传播的。也就是说，光就像一条射线（这是几何光学的理论基础）。从这个角度来分析，光应该是一种粒子，这些粒子在空间是沿着直线传播的。

另一方面，根据麦克斯韦电磁场理论，我们从麦克斯韦电磁场方程组中可以计算出光的传播速度，并因此得出一个结论：光波是电磁波。光的电磁理论使我们对光有了十分深入全面和详细的理解，但问题依然没有完全解决，我们依然不知道什么东西的振动能够产生光波。

光到底是什么？曾有一位记者向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五，它是一个波，星期二、四、六，它是一个粒子，星期天物理学家休息”。

从这一段话中，我们可以看出：光既具有粒子性。又具有波动性，换句话说，波动性和粒子性都是光本身的属性。在不同的情况下，光呈现的形式是不一样的。有时光的波动性更明显，有时光的粒子性更明显。

我们这样认识光

关于光的本性，最早见于笛卡尔的著作《折光学》一书中。在书中，笛卡尔提出了两种假说：一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质，而另一种假说则认为光是一种以“以太”为媒质的压力。笛卡尔一下子就提出了光的本质的两种设想，而这两种设想直接引发出后来的两种学说——微粒说和波动说，并为以后三百多年的两种学说的争论打下了伏笔。

光是粒子

牛顿学派认为，光的本质与通过它反射而可见的实体物质一样，是一种粒子。

最早提出这一观点的是法国一位数学家，名叫皮埃尔·伽森，牛顿将这个观点加以发展，并于1675年提出一种设想：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”。

牛顿曾用微粒说来阐述光的颜色理论。1672年，牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所做的光的色散实验。在这个实验中，牛顿让太阳光通过一个小孔，照射到放在屋内的一个三棱镜上，在对面的墙壁上，得到一个彩色的光谱。牛顿认为，会出现这种现象是因为光的复合和分解导致。就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。

光的微粒说虽然能解释一些光学现象，如前文中提到的光的直线性传播、光的反射和折射等，但却无法解释另外一些光学现象，比如当一束光入射到两种介质界面时，不但有反射，还有折射——根据粒子说，光是粒子，就只能有反射，没有折射——显然微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难。另外，当两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播而不相互影响，这一常见的现象，微粒说也完全无能为力。

光是波

1666年，惠更斯工作之余从巴黎科学院到英国旅行，并在剑桥拜会了牛顿。二人就光的本性交流了各自的看法，在交谈中，牛顿与惠更斯产生分歧，因为那时牛顿赞同粒子说，而惠更斯则倾向于波动说。正是这种争论，激发了惠更斯对光的本性的探索的强烈欲望。回到巴黎后，惠更斯重复了牛顿所做的光学实验，并发现，牛顿的很多光学实验中的现象是微粒说所无法解释的，为此他提出了一套比较完整的光的波动学说的理论。

光的波动说认为：光是一种机械波，传播它的是物质的载体“以太”。根据这个理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好地解释了光的衍射、双折射现象以及“牛顿环”实验。

随之，麦克斯韦在此基础上，进一步指出光是一种电磁波，由此，光的波动性理论在与粒子说的较量中，取得了决定性的胜利。

就在惠更斯積极传播光的波动性的同时，牛顿的粒子说学派也不甘落后，也逐步建立起自己的理论体系。牛顿在他的著作《光学》中，对惠更斯的波动说进行了反驳，他指出：光如果是一种波，那么它应该能够像声波一样，绕过障碍物，但事实上，光经过障碍物，会形成一个影子，这是波动说所无法解释的。

延伸阅读

泊松亮斑

1818年，巴黎科学院举办了一次规模很大的科学论文竞赛，用于悬赏对光的衍射方面有成就的论文。波动说的支持者，著名科学家菲涅尔提交了一篇论文，在这篇论文中，菲涅尔将惠更斯学说加以发展，提出了著名的关于波动光学的一个数学理论——菲涅尔公式。但因为评委大都支持微粒说，因此对菲涅尔的论文提出了异议，其中，反对最为激烈的是微粒说的支持者泊松。赛后，他花了很多时间和精力，根据菲涅尔提出的新理论，推导出一个奇怪的现象——泊松根据菲涅尔的公式推算出圆屏衍射（光通过一个圆盘后产生的衍射）的衍射图案，在圆屏的阴影中央应该出现一个亮斑！

光通过一个不透明的圆盘，怎么可能在圆盘的后面中心处，出现一个亮点？应该是一个暗点才对！这是根本不可能的事情，泊松非常高兴，他自认为找到了否定菲涅尔理论的依据。

但是菲涅尔也不示弱，他坚信自己的理论是正确的。为了证明其正确性，菲涅尔现场给评委做了一个圆屏衍射的实验，结果发现，果然在圆盘的后面中心处出现一个亮点，这个亮点后来被人们称为“泊松亮斑”。

通过这个实验，证实了菲涅尔公式的正确性，从而也间接证明了光的波动理论的正确性，因为菲涅尔公式是通过光的波动理论得到的。

光具有波粒二象性

现在的情况大家知道了：光的波动说和光的粒子说，都有一定的正确性，但都有局限性，都能解释一部分光的现象，又不能解释一部分光的现象，这两派提出的理论体系都不圆满，历史需要一个人能站出来，提出新的学说，来消除粒子说和波动说这两大学说的局限性，圆满地解释所有出现的光学现象。历史选择了爱因斯坦。

1887年，德国科学家赫兹在实验中发现了光电效应，这时光的粒子性再一次浮出水面。到了20世纪初，著名科学家普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。1905年，爱因斯坦在德国著名杂志《物理年报》上发表了一篇题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的研究论文，在这篇论文中，爱因斯坦认为：对于时间的平均值，光表现为波动，对于时间的瞬时值，光表现为粒子性。这个观点非同寻常，它是人类历史上第一次揭示出微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这标志着对光的认识进入了一个新时代——一个属于爱因斯坦的时代。1921年，爱因斯坦因这一成就获得诺贝尔物理学奖。

在“波粒二象性”这一新的事实和理论面前，所有科学家折服了，人们不得不认为它是正确的，是目前唯一能够用它来解释所有光学现象的理论和学说。光的波动说和光的粒子说之争以“光具有波粒二象性”这一离奇的观点而落下了帷幕。

光的真面目

即使人们从理论上已认为爱因斯坦的结论是正确的，但却无法在实验中得以证明，因为人们很难在实验中同时看到光的波动性和光的粒子性这两种现象。

最初，人们只能利用光通过一小孔，成像在后面的底片上来观察。当曝光时间较短时，底片上会出现一个一个的小光点，显示了光的粒子性;而当曝光时间比较长时，则在底片上显示了波的条纹，这表明光是一种概率波，光子落在某些区域的可能性较大，而落在另外一些区域则较小。这也说明，光子在空间出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释。尽管这一实验能说明一些问题，但并不能够使人折服，因为人们并没有从实验中直接用肉眼同时看到光的粒子性和光的波动性。

2015年3月10日，瑞士联邦理工学院的科学家首次通过实验拍摄到同时以波和粒子形式存在的光线照片，从而从实验上证明了爱因斯坦的光的量子理论——即光同时表现出波和粒子的两种特性。

“光同时具有波粒二象性”这一令现代科学界最难以捉摸的观点，终于被科学家在实验中观察到。

光的本質是“波粒二象性”，既是波，也是粒子，这是两种明显矛盾的混合体。它是现代物理学关于光的本性的认识，光的波粒二象性不同于牛顿曾提出的微粒说，也不同于惠更斯提出的波动说，而是它们的统一。

打个比方，现在在我们面前摆放着一个杯子，这个杯子两面的图案是不同的，这时，我们从一侧看过去，杯子显现一种图案，而从杯子的另一侧看过去，杯子显现出另一种图案。这两种图案都不能代表整个杯子的图案，而只能代表杯子的一个侧面。杯子的图案是什么？它是两侧图案的混合体或者称之为统一体，这就是光的波粒二象性与光的粒子性和光的波动性之间的关系！