光的波粒二象性的认识及启示

岑沐阳

（广西师范大学附属中学 广西·桂林 541213）

太阳光一直伴随着世界万物的生长，在光的支持下才有了五彩斑斓的颜色。随着人们对光的研究越来越深入，从17世纪起光的波动说与微粒说之争开始，直到20世纪初波粒二象性的提出得以告终。通过对光的性质的学习，可以发现光沿直线传播以及光的反射与折射等性质，此类高中知识看似掌握了光的基本理念，但也只是九牛一毛。波粒二象性的研究离不开每一位物理学家的支持，无论是惠更斯和牛顿的理论，还是爱因斯坦的光电效应方程，都为波粒二象性的研究提供了诸多支持。

1 微粒说与波动说

光是我们生活中常见的物质，也被认为是最小的物质之一，虽然其具有特殊性质，但通过对光本质特性的探索具有重要意义。通过对科学发展史的研究可以发现，物理学始终围绕着物质是波还是粒子而展开。

（1）笛卡儿──两点假说。人们在研究光学的性质过程中，光的本性问题以及光的颜色问题成了物理学家重点研究内容。笛卡尔为了验证光的性质，提出两种假说，其一认为光由微粒构成，其二，以太媒受到的压力会产生光。笛卡尔的两种假说更强调光与媒介之间的关系，但也正是这两种假说的提出，为微粒说与波动说之争奠定了基石。

（2）格里马第──光的衍射。格里马第为了验证光的衍射，开展了两个有关于光的实验。其一，在暗室中放置在屏幕，将光通过小孔，使其照射在屏幕上，最终实验结果可以显示光线在屏幕上变宽。随后进行第二个试验，首先放置两个小孔，并在暗室中放屏幕，光照射小孔放在屏幕上，可以发现明暗条纹的实验现象。他认为此种图像与水纹图像大致相同，进而得出结论：光属于流体，能够进行波浪式运动，而光的不同颜色则是波动频率所致。这是格里马第提出的光的衍射概念，也是最早提出波动学说的物理学家[1]。

（3）胡克──光是以太的一种纵向波。胡克则发现格里马第实验的不足后，再次进行实验，将光透过肥皂泡沫，耳后观察光产生的颜色，并提出：光属于纵向波的一种。而光的颜色与波的频率紧密相关。

（4）牛顿──光的颜色理论。在十七世纪中旬，牛顿提出了光的色散实验，实验内容为：让光通过小孔，并照射在暗室中的棱镜上，棱镜对面墙壁会出现彩色光谱。并得出光在复合和分解过程中是由不同颜色微粒为混合与分离而组成，进而得出不同的颜色[2]。牛顿在论文中阐述了光的颜色理论及微粒说。将光的颜色来源，以及光是由微粒组成的，在论文中阐述出来。也正是在牛顿论文发表后，光是由波组成还是粒子组成之争开始，并开展了漫长争论。

（5）惠更斯──波动学说完整理论。惠更斯认为光属于机械波，其传播方式主要由物质载体纵向传播而来，而物质载体则是以太，波面上出现的个点则是媒质震动而引起。也这是在这一理论加持下，惠更斯提出了光的反射与折射定律，解释了双折射现象以及牛顿环实验。同时，惠更斯也联合生活实例解释了光的波动学说，反驳了粒子说，光如果是粒子，那么诸多粒子之间会形成碰撞关系，那么光的传播方向应该随之改变，而不是一成不变。但实际并非如此。

（6）牛顿──微粒学说完善。牛顿通过对微粒学说的完善反驳了惠更斯假说，并用大量实验来证明。首先如果光由波组成，那么它应该与波相同会绕过障碍物，也不会形成影子。其次，双折射现象只是说明了光的不同性质，但无法解释光波动的真正原因。同时牛顿将微粒学说与自然界相连接，并与质点力学相融合，为微粒学提供可靠依据。

（7）光的偏振现象与定律。在十九世纪初拉普拉斯在论证双折线现象时应用了微粒说，并反驳了波动说。

随后，光的偏振规律在马吕斯实验中被发现。进一步研究了光在折射过程中产生的现象，他发现光折射与偏振之间紧密相连。惠更斯曾提出光是纵波，但纵波并不会发生偏振，进而为反波动说提供了重要理论依据[3]。

1811年后布吕斯特研究光的偏振现象时总结了偏振现象定律，使得波动说难以解释，物理学研究光则朝着微粒说方向进行。杨氏在此种形式下，再次深入分析光学原理，并有光是纵波假想向光是横波转移，随之光的偏振现象得以被解释，通过结合牛顿派的观点，并建立了全新波动说理论，并告知阿拉戈。

（8）菲涅尔、阿拉戈──光波横向传播。菲涅尔在实验中试图验证惠更斯波动说，但并未与杨氏取得联系，也没有了解杨氏衍射论文，他在自己的论文中提出了互相干涉作用，并表示其强度更为显著。其理论与杨氏理论相反。阿拉戈随后告知其杨氏提出的光是横波概念，随后菲涅尔以此为基础开展实验，并成功研究出有两个平面镜产生光源的光的干涉实验，再次验证了光的波动说。菲涅尔与阿拉戈开展实验后，逐渐向波动说转移。随着菲涅尔实验光的传播方向后，他与阿拉戈共同制定了光的横向传播理论。

（9）新波动学说的创立。在19世纪末，夫琅和费使用光栅研究了光的衍射现象[4]。随后，在光波学基础下，施维尔德利用光栅衍，对光的衍射现象进行成功解释。微粒说再次被推翻，波动学说再次得到发展。随之人们开始寻找光的载体，以太说重新建立，但在寻找过程中却遇到重重挑战，各类假说随之提出。

菲涅尔认为横向波的传播介质是固体，并通过对以太的所发现，但是在此种情况下，以太固体性质则会影响天体的正常运转。泊松随后也发现这一现象，认为光如果存在横向振动的情况，那么则会发生纵向振动，这与提出的理论相矛盾。柯西随之提出第三种假想，认为以太是可压缩的介质。斯托克斯为了验证这一理论，利用沥青性质开展类比，阐述物质既可以横向振动也可以纵向运动，但不会干扰天体运动。波动说虽然在理论上取得了胜利，但波载体寻找的困难，预示着波动说存在问题。

（10）光的波粒二象性。在19世纪末期，光电效应被赫兹发现，这就再次阐述光的粒子性。20世纪初普朗克与爱因斯坦共同提出光的量子学说。在诸多科学家努力下，光最终以具有波动性和微粒性两种特性而结束。

2 波粒二象性的提出

2.1 光的电磁理论

电磁波由麦克斯韦提出，认为光学性质与其相符，是范围内的电磁波。随后再次验证生活中存在电磁波。同时其传播速度通过实验验证发现与光的传播速度相同。随后又进行了一系列的电磁波实验，发现电磁波会在固体表面上形成反射与光的反射定律相吻合，而电磁波在进行棱镜实验时其偏折规律与光的偏折规律相同。通过种种实验发现电磁波的性质与光的性质相同，并再一次证实光的电磁波理论，推动了光的电磁波理论研究发展。

2.2 量子假说与波粒二象性

随着实验的研究与深入发现，光的电磁波说难以解决诸多问题，如黑体辐射、光电效应等等。随后，能量子假说由普朗克提出，爱因斯坦在此理论支持下，阐述了光量子，科学解释光电效应。实验表明，光波是由具有能量的微粒组成的粒子流，也就是光子。而爱因斯坦不仅阐述了光的波动性，同时也阐述了光的粒子性，也就是波粒二象性[5]。

3 波粒二象性带来的启示

在对立统一的规律下，辩证唯物主义应运而生，理论表面认为任何事物都是两面性，相互对立又相互统一。光的粒子性与波动性就相当于两个对立的性质，但二者又存在着统一，也正是在辩证思想的引导下，波粒二象性得以证实。否定规律与辩证法相同，它认为事物在否定中有肯定，二者相互依存，光的本性从微粒说到光子说，从波动说到电磁说，最后统一经过几百年的实验与辨证，最终获取到其真正含义[6]。

在研究光的本性时，物理学家之间产生了激烈的争论，而这些争论为物理学的发展提供了深远影响。纵观光学研究历史，可以发现每一个物理学家都敢于向权威挑战，而每一次挑战都实现了光本质研究的飞跃，实现了物理性质的创新。

4 结束语

总而言之，通过对波粒二象性认知过程的研究可以发现，物理学家们具有独特的物理思维，通过大量的实践，最终得出了这一理论。这也就要求我们在当今社会中也要具备科学发展能力，创新自身思维模式，敢于质疑权威，不断强化自身的科学素养。