光是粒子还是波？

可见光的确切性质是一个让人类困惑了几个世纪的谜团，许多科学家和哲学家都在努力回答以下问题：光是粒子还是波？

来自古代毕达哥拉斯学科的希腊科学家假定，每个可见物体都会发出稳定的粒子流，而亚里士多德认为光的传播方式类似于海洋中的波浪。即使这些想法在过去很多年经历了许多修改并发生了相当程度的演变，但希腊哲学家所确立的争端的本质至今仍然存在。

光的理论：粒子还是波？

一种观点认为，光在本质上是波状的，产生的能量穿过空间，其方式类似于被落下的岩石扰动后，在一个静止的池塘表面扩散的波纹。相反的观点认为，光是由稳定的粒子流组成的，很像从花园的软管喷嘴喷射出来的小水滴。

在过去的几个世纪里，这种共识摇摆不定，一种观点在一段时间内占上风，但又被另一种观点的证据所推翻。只有在20世纪的头十年里，收集到足够的令人信服的证据才能提供全面的答案，令每个人惊讶的是，两种理论都证明是正确的，至少部分是正确的。

在十八世纪初期，关于光的性质的争论已经将科学界变成了分裂的阵营，他们在他们最喜欢的理论的有效性上进行了激烈的斗争。一群赞同波浪理论的科学家把他们的论点集中在荷兰人克里斯蒂安惠更斯的发现上。对立的阵营引用艾萨克 牛顿爵士的棱镜实验来证明，光作为粒子的阵雨传播，每个粒子都以直线前进，直到被折射、吸收、反射、衍射或以某种其他方式干扰为止。

虽然牛顿本人似乎对他的关于光的本质的粒子理论有疑问，他在科学界的威望如此之重以至于他的提倡者在他们凶猛的战斗中忽略了所有其他的证据。

惠更斯的光折射理论，基于光的波状性质的概念，认为任何物质中的光速与其折射率成反比。换句话说，惠更斯推测，光线被物质“弯曲”或折射的越多，在穿过该物质时它会移动得越慢。他的追随者得出的结论是，如果光由粒子流组成，那么会出现相反的效果，因为进入密度较大的介质的光将被介质中的分子吸引，并且速度增加而不是减小。

尽管这个论点的完美解决方案是测量不同物质，例如空气和玻璃中的光速，但是该时期的装置不能胜任。无论其通过的材料如何，光似乎都以相同的速度移动。超过150年过去了，光速可以用足够高的准确度来测量，证明惠更斯理论是正确的。

尽管艾萨克·牛顿爵士享有盛誉，但1700年代初期一些杰出的科学家并不同意他的粒子理论。一些人认为，如果光线由粒子组成，那么当两束光线交叉时，一些粒子会相互碰撞而产生光束偏差。显然，情况并非如此，所以他们得出结论，光不能由单个粒子组成。

光的波浪理论

惠更斯在他1690年的专著Traité de la Lumière中凭借自己的直觉提出，光波以以太为媒介穿过空间。以太是一种神秘的无重力物质，作为一种无形的实体存在于整个空气和空间。在十九世纪，寻找以太消耗了大量的资源，直到最后被终结。以太理论至少持续到19世纪晚期，查尔斯·惠特斯通提出的模型证明了以太通过垂直于光传播方向的振动来传播光波，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦详细的模型描述了这种不可见物质的构造。

惠更斯认为以太与光在同一个方向振动，并在它携带光波的时候形成了波。在后来的惠更斯原理一书中，他巧妙地描述了波上的每个点如何产生自己的小波，然后这些小波叠加在一起形成波前。惠更斯利用这个想法为折射现象提出了详细的理论，也解释了为什么光线在交叉路径时不会相互碰撞。

当一束光在两种折射率不同的介质之间传播时，光束发生折射，并在从第一种介质进入第二种介质时改变方向。确定光束是由波或粒子，每个可以设计一个模型来解释这一现象（图3）。

根据惠更斯波理论，每个角度的波前的一小部分应该影响第二介质之前剩下的前面到达界面。当波的其余部分仍然在第一介质中传播时，这部分将开始通过第二介质，但由于第二介质的高折射率，它将移动得更慢。因为波前现在以两种不同的速度传播，它会弯曲进入第二种介质，从而改变传播的角度。

相比之下，粒子理论很难解释为什么光粒子从一种介质进入另一种介质时会改变方向。该理论的支持者认为，当粒子进入第二种介质时，有一种垂直于界面的特殊力，作用于改变粒子的速度。这种力量的确切性质还有待推测，也没有收集到任何证据来证明这一理论。

两种理论的另一个很好的比较涉及到当光从光滑的镜面反射（如反射镜）时所发生的差异。波浪理论推测，光源发出的光波在所有方向上传播。在撞击镜面时，波会根据到达角度反射，但是每个波都会反转到前面以产生反转图像（图4）。到达波的形状强烈依赖于光源离镜子多远。来自近光源的光仍然保持球面高度弯曲的波前，而从距离源发出的光线将更多地传播，并以几乎平面的波前影响反射镜。

就反射现象而言，光的粒子性质的情况比折射的情况要强得多。由光源发出的光，无论是接近还是远，以粒子流的形式到达镜面，其从光滑表面弹开或反射。因为粒子非常小，所以传播的光束中有很大数量的粒子，它们并排地靠在一起。

在撞击镜面时，粒子会从不同的点反射回来，所以它们在光束中的顺序在反射时会反转，产生一个反转的图像，如图4所示。粒子和波浪理论都充分解释了光滑表面的反射。然而，粒子理论还表明，如果表面非常粗糙，粒子会以各种角度反弹，散射光。这个理论非常符合实验观察。

当粒子和波遇到物体的边缘并形成阴影时，它们的行为也会有所不同（图5）。牛顿很快在1704年出版的Opticks一书中指出，“光永远不会沿着弯曲的通道前进，也不会弯曲到阴影中”。这个概念与粒子理论是一致的，它提出光粒子必须总是以直线行进。如果粒子遇到屏障的边缘，那么它们将投射阴影，因为未被屏障阻挡的粒子以一条直线继续，并且不能在边缘后面散布。在宏观尺度上，这一观察结果几乎是正确的，但它不符合从小得多的光衍射实验获得的结果。

当光线穿过狭窄的狭缝时，光束扩散并变得比预期的宽。这一基本重要的观察结果为光波理论带来了大量的可信度。像水中的波浪一样，遇到物体边缘的光波似乎围绕边缘弯曲并进入其几何阴影，这是一个不直接被光束照射的区域。这种行为类似于缠绕在木筏端部的水波，而不是反射。

在牛顿和惠更斯提出他们的理论近一百年后，一位名叫托马斯·杨的英国物理学家进行了一项实验，该实验有力地支持了光的波状性质。由于相信光是由波构成的，托马斯·杨继续推测说，两束光波相遇时会产生某种相互作用。

为了验证这一假设，他使用了一个包含单一窄缝的屏幕来产生来自普通阳光的相干光束(包含相位传播的波)。当太阳光线遇到狭缝时，它们展开或衍射，产生单一的波阵面。如果这可以照亮前面第二个屏幕有两个紧挨着的缝，两个额外的相干光的来源，完全与对方产生（见图6）。光从每一个缝隙去一个点中间两缝应到达完美的步骤。

由此产生的波会相互加强，从而产生更大的波。然而，如果考虑中心点两侧的一个点，那么从一个狭缝发出的光必须传播更远才能到达中心点对面的另一个点。从狭缝靠近第二点处发出的光会比从远处狭缝发出的光先到达，所以这两种波会彼此不同步，可能会相互抵消，从而产生黑暗。

正如他所怀疑的那样，杨发现，当第二组狭缝中的光波传播（或衍射）时，它们相遇并重叠。在某些情况下，重叠使两波完全同步。然而，在其他情况下，光波的结合或轻微或完全不同步彼此。

杨发现，当这些波同步相遇时，它们通过一个被称为相干干涉的过程叠加在一起。不同步相遇的波将相互抵消，这种现象称为抵消性干涉。在这两个极端之间，发生不同程度的建设性和抵消性干涉，产生具有宽频谱振幅的波。杨能够在两个狭缝后面设置一个固定距离的屏幕上观察干扰的影响。经过衍射后，通过干涉重新组合的光沿着屏幕产生一系列亮的和暗的条纹。

虽然看起来很重要，但杨的结论在当时并没有被广泛接受，主要是因为人们对粒子理论的压倒性信念。除了他对光干涉的观察外，杨还假设不同颜色的光是由不同长度的波组成的，这是一个被广泛接受的基本概念。相比之下，粒子理论的拥护者认为，不同的颜色是由质量不同或运动速度不同的粒子产生的。

干涉效应不仅限于光。在水池或池塘表面产生的波浪会向各个方向扩散，并发生相同的行为。当两个波同步相遇时，它们将通过相长干涉加在一起形成一个更大的波。不同步的碰撞波将通过抵消性干扰相互抵消，并在水面上产生一个水平的表面。

当仔细检查交叉偏振器之间的光束行为时，发现了光的波状性质的更多证据（图7）。偏振滤光片具有独特的分子结构，只允许具有单一方向的光通过。换句话说，偏振器可以被认为是一种特殊类型的分子百叶窗，在偏振材料中有小排的单向板。如果允许一束光撞击偏振器，则只有平行于偏振器方向的光线才能通过偏振器。如果第二个偏振器位于第一个偏振器的后面并朝向相同的方向，那么通过第一个偏振器的光也将通过第二个偏振器。

然而，如果第二个偏振器以一个小角度旋转，通过的光量将会减少。当第二个偏振器旋转使其方向垂直于第一个偏振器方向时，通过第一个偏振器的光将不会通过第二个偏振器。这种效应很容易用波动理论来解释，但是粒子理论无法解释光是如何被第二个偏振器阻挡的。事实上，粒子理论也不足以解释干涉和衍射，这些效应后来被发现是同一现象的表现。

用偏振光观察到的效应对于光由具有垂直于传播方向分量的横波组成这一概念的发展至关重要。每一个横向组件必须有一个特定的方向，使它可以通过或被偏光器阻挡。只有那些与偏振滤波器平行的横向分量的波会通过，而其他的波会被阻挡。

到了19世纪中叶，科学家们越来越相信光的波动特性，但仍有一个不容忽视的问题。到底什么是光？当英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现所有形式的电磁辐射都代表一个连续的光谱，并以相同的速度(每秒18.6万英里)在真空中传播时，这才取得了突破性的进展。麦克斯韦的发现有力地钉住了粒子理论的棺材，到20世纪初，似乎光和光学理论的基本问题终于得到了解答。

在19世纪80年代后期，波动理论受到了重大的打击，当时科学家首次发现，在一定条件下，光可以从几种金属的原子中分离电子（图8）。尽管起初只是一个奇怪的、无法解释的现象，人们很快发现，紫外光可以使各种金属中的电子原子释放出正电荷。德国物理学家菲利普·勒纳德对这些观测结果产生了兴趣，他称之为光电效应。勒纳德用棱镜将白光分解成不同颜色的光，然后有选择地将每种颜色聚焦到金属板上以排出电子。

勒纳德的发现令他困惑和惊讶。对于特定波长的光（例如蓝色），电子产生一个恒定的势能，或固定的能量。减少或增加光的数量会相应地增加或减少被释放的电子的数量，但每种电子的能量仍然保持相同。换句话说，逃离原子键的电子的能量取决于光的波长，而不是光的强度。这与波浪理论的预期相反。勒纳德还发现了波长和能量之间的联系：波长越短的电子能量越大。

19世纪初，威廉·海德·沃拉斯顿发现太阳光谱不是一个连续的光带，而是包含了数百个缺失的波长，为光与原子之间的连接奠定了基础。德国物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫绘制了超过500条对应于缺失波长的窄线，他们将信件分配给了大的空白。后来发现，间隙是由太阳外层原子吸收特定波长而产生的。这些观察是原子和光之间的一些最初联系，尽管当时还不了解其根本影响。
 

光的粒子理论

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦假设光实际上可能具有一些粒子特征，而不管大量的证据表明波浪性质。在量子理论发展过程中，爱因斯坦数学表明，附着在金属原子上的电子可以吸收特定数量的光（首先称为量子，但后来变成光子），从而有能量逸出。他还推测，如果一个光子的能量与波长成反比，那么较短的波长将产生具有较高能量的电子，这个假设实际上源于勒纳德的研究结果。

20世纪20年代，爱因斯坦的理论在美国物理学家阿瑟·康普顿的实验中得到了巩固，他证明光子具有动量，是支持物质和能量可以互换的理论的必要条件。与此同时，法国科学家路易·维克多·德布罗意提出，所有物质和辐射都具有类似于粒子和波的特性。按照马克斯·普朗克的领导，德布罗意推断爱因斯坦有关质量和能量的著名公式，其中包括普朗克常数：

E = mc2 = hν

其中E是粒子的能量，m是质量，c是光速，h是普朗克常数，ν是频率。德布罗意的工作将波的频率与粒子的能量和质量联系起来，这对于一个新领域的发展至关重要，该领域终将被用于解释光的波浪状和粒子状特征。
 

光的二元性：粒子和波

或者同时表现出粒子状和波状行为。量子力学诞生于爱因斯坦、普朗克、德布罗意、尼尔斯·玻尔、欧文 薛定谔等人的研究，他们试图解释电磁辐射如何显示现在被称为二元性的东西，或者既有颗粒状又有波状的行为。有时光的行为像一个粒子，在其他时候像一个波。

这种光理论和行为的互补或双重作用可以用来描述实验观察到的所有已知特征，包括折射，反射，干涉和衍射，以及偏振光和光电效应的结果。综合起来，光的特性一起工作，让我们观察宇宙之美。