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2004年毕业于北京师范大学物理系，2009年在中国科学院物理所获得理学博士学位，同年起在中国科学院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之:是粒子，还是波？都是传说！
罗会仟
2010年10月27日| 作者：罗会仟 中国科学院物理研究所 |
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[选择题]光是什么？ 选项：a. 光是粒子； b.光是波；c.光既是粒子也是波；d.光既不是粒子也不是波；e.以上答案均正确；f.楼上都在瞎掰；g.楼主是个传说；……？ 给出答案分布：70后当年大部分选c，他们认为理解了光，早晨八九点钟的太阳——前途有光；80后当年对前途是光明还是黑暗比较困惑，选c的有一半选d的也有一半，纠结啊；90后呢，每个选项都有人选，并且在选项d后面加上了e项和f项，然后阅卷老师再加了个g项，阅卷领导加了个省略号和问号。标准答案是……，谁知道？！ 我们还是来看看历史上的牛人怎么解答的吧！ 先看看咱们的墨家军，中国的墨子和他的弟子们早在公元前400多年前就做了光的小孔成像实验，并解释了物体和投影的关系原理——光的直线传播。喜欢讨论的问题的古希腊人对光同样充满好奇，毕达哥拉斯最早把光解释为光源向四周发射的一种东西，遇到障碍物即被弹开，弹入人眼即让人感觉到了最后一个将光弹开的障碍物。而后托勒密在《光学》一书描述了光的折射现象，达芬奇也描述过光的反射现象等并试图做出解释，而后开普勒及斯涅耳的实验给出了光的折射定律的数据，只是，他们并没有发表。直到数学家笛卡尔在《屈光学》提出了光的折射定律的数学几何形式表达，他同时留下了对光的两种可能解释。一是说光是类似于微粒的物质；二是说光是一种以“以太”为媒质的压力，即可能是波。光究竟是什么？成了遗留给后人的问题。 光可能是波，意大利数学家格里马蒂如是说。他让一束光穿过两个小孔并投影到暗室屏幕上，结果在发现在投影屏幕上有明暗相间的条纹。这和水波的衍射非常相似，说明了光的波动性。他还认为物体之所以显现不同颜色是因为有着不同频率的光。
光怎么会是波，明明是粒子嘛，英国物理学家牛顿如是说。1666年牛顿在家休假躲避黑死病，没事玩起了三棱镜，他发现一束白光可以分成不同颜色的光，而不同的单色光也可以合成还原成白光，为此他成功解释的光的色散现象。（见[水煮物理](12)：好“色”之徒）牛顿的分光实验让光学从几何光学跨入到了物理光学。牛顿认为光应该是由微粒组成，并且走最快速直线路径，光的分解和合成就是不同颜色的微粒分开和混合的结果。
棱镜分光与光的颜色 于是解答这个问题伊始就有了两大门派——“波动说”和“微粒说”。其实牛顿在开始时并不特别反对波动说，但“微粒说”对胡克等前人的“波动说”发起了挑战，这让胡克很不爽，直接结果就是胡克拉着波义耳等一起枪毙了牛顿关于光的颜色的论文，而牛顿也不甘示弱，在以后的论文里不断提出对“波动说”的反驳。这些争论最终导致了牛顿和胡克的终身私人仇恨，牛人相斗，两败俱伤。胡克说牛顿的一些研究是以他的研究为基础的，牛顿便冷笑道：“那么说我就是站在巨人的肩膀上了哈！”（好像胡克并不高？）胡克很郁闷地在牛顿的冷嘲热讽中度过了下半辈子。还是荷兰人惠更斯比较懂学术政治，他先是作为院士和领导牛顿在剑桥相会讨论光的本质问题，话说两人是相互久仰、惺惺相惜。可他心里已经发现许多现象不能用“微粒说”来解释，并暗暗转向了“波动说”。惠更斯一回去便做了一系列实验并提出了光的波动说的完整理论。他认为光是靠物质载体“以太”来传播的纵向机械波，并成功解释了光的反射、折射、双折射、衍射等现象。1678年，惠更斯出版了《光论》并公开演说反对微粒说。老牛很生气，后果很严重。作为当时全世界最聪明的人，牛顿很快也找到了波动说的脉门，并且用微粒说更美好地解释了光的现象，他还把物质微粒观推广到整个自然界，很合他的质点动力学的胃口。这些理论写在了他的《光学》一书里，为了避免再被胡克等人枪毙的危险，这书直到胡克去世两年后才出版。很不幸的是，惠更斯那时也已不在人世，“波动派”便衰微不振。牛顿利用他在力学上的卓越声望，轻松地把“微粒派”发展壮大一统江湖。虽然不是千秋万载，却统治了整个十八世纪，这就是权威的力量。
杨氏双缝干涉实验 历史的车轮总是滚滚向前的，在新自然哲学思潮下，权威也未必不被人怀疑。1800年-1807年，托马斯.杨再次扛起了波动说的大旗。作为新一代掌门，杨用物理学最有力的研究方法——理论预言加实验验证然后再理论解释逐渐完善了波动说。杨首先把光和声波进行对比，认为光同样存在叠加后增强或减弱的现象——光的干涉。他做了著名的杨氏双缝干涉实验：让一束单色光穿过小孔衍射到另两个小孔上，在小孔另一侧接收屏上观察到了明暗相间的条纹。这是证明光的波动性的关键实验，可惜最初杨的解释并不正确，因为他认为光波和声波一样都是纵波（传播方向和振动方向在平行），而明暗相间的干涉条纹来自于入射波和反射波的叠加。公然和权威对抗总是艰难的，挺牛顿的微粒派弟子立马抓住波动说的小辫子加以反驳甚至诽谤杨同学。比如拉普拉斯同学就用微粒说详细分析了光的双折射现象，用以驳斥波动说；而马吕斯和布儒斯特从实验上发现了光的偏振现象并给出了偏振定律，即光在沿传播路径上的振动方向是不对称的，这是纵波里不可能出现的情况。杨同学很郁闷，但并没有放弃，他仰头看看惠更斯祖师爷，终于下决心迈出了更加理论上的关键一步：光不是纵波，而是横波（传播方向与振动方向垂直）。这么一来就清楚多了，光的偏振也不再神秘，因为振动方向和传播方向垂直，故完全允许其呈不对称，偏振正是横波波动性的力证！这一招“以彼之道、还施彼身”击中微粒说要害，而微粒派再也没有牛顿这样的牛人出来说话了。十年后，法国的土木工程师菲涅尔发挥业余兴趣，从理论上给出了光的干涉预言，并在了解托马斯.杨的工作之后进行了实验验证，成功建立了光的横向传播理论。之后，德国天文学家夫琅和费用光栅做了光的衍射实验，施维尔德对其结果进行了很好的波动说解释。波动派终于东山再起，不仅成了江湖主流，而且还不断发扬光大。19世纪后期，法拉第等人对电磁学的深入研究让人们初步形成一个概念：光其实就是一种电磁波。1872年，麦克斯韦用四个方程完美地统一解释了所有电磁学现象，并且由此可以推论出电磁波的存在，且以光速传播，我们看到的可见光实际上不过是电磁波的一种。1888年德国的赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在！光不仅仅是波，而且是电磁波，除了光之外，无线电波、微波、红外线、紫外线、x射线、伽马射线等等都是电磁波，它们之间的区别在于频率不同而已。光的波动说至此可谓达到了完美。
迈克尔逊-莫雷的“以太漂移”实验（from ） 波动说的烦恼还不仅仅在于找不到“以太”这个载体，更可怕的乌云一朵接一朵地飘来。赫兹的实验还有另一个现象，当用紫外线照射两个金属球时，电火花似乎更易出来，即光对金属的照射可以产生电子。这就是光电效应的发现，爱因斯坦后来对其做出了解释，他认为光以粒子形式入射到金属上，金属电子将吸收其能量并逃逸出来。光的微粒说再次浮出水面！爱因斯坦把光的微粒叫做“光子”。光子的概念并不是他的原创，而来自于德国的普朗克对黑体辐射的解释。之前对于黑体辐射的研究，瑞利和金斯用理论解释大部分波段的辐射曲线，然而在紫外波段则遇到了灾难性的违反实验结果。最严重的问题是，人们用如此完美的电磁学理论却怎么也解释不了一个简单的黑体辐射谱，光的波动说再次遇到了障碍。普朗克通过引入一个新的概念——把光的能量分成不连续的一份一份的，每一份叫做能量的“量子”，通过统计能量量子的分布，就可以得到完全符合实验谱线的黑体辐射理论公式。把能量看成不连续的量子化，这在当时绝大部分科学家心目中是不能接受的。普朗克也因为引入能量量子而心中不安，他甚至内疚地认为不应该对经典的电磁理论提出质疑，因为它是那么地完美无瑕。只有年轻大胆的爱因斯坦，不仅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解释光电效应。新的光的微粒说——光的量子说由此诞生。新生事物往往很难为人接受，美国的密里根为此做了整整十年的实验，试图否定光的量子说，然后在1915年他公布的实验结果却是证实了光量子的存在，同时也测定出了普朗克常数（这个常数和光子频率的乘积就是量子化的光子能量）。如果光具有量子化的粒子性，那么其他电磁波会如何？1923年，康普顿发现x射线被电子散射后频率会变小，即x射线也有粒子性。更有趣的问题是，那原先人们认为是粒子的电子等会不会有波动性呢？1927年，杰默尔和汤姆森先后证实了电子束的波动性质，随后人们还发现氦原子射线、氢原子和氢分子射线均具有波的性质。事实上，如果让可见光、x射线、电子甚至中子穿过合适的物质都可能发生衍射现象，即波强度在存在增强和减弱的效应，而“合适”的物质，实际就是其间隙和射线的波长相比拟——这正是波发生衍射的条件。这下麻烦更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，还是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？彻底把大伙儿给搞糊涂了。
于是，一切皆是粒子，一切又皆是波。关于光的粒子说和波动说的论战逐渐变成了遥远的传说，只在历史的长河上，留下了无数智者的身影，照耀着后人的前行。
1、光的本质——波动说与微粒说的交锋http://www.hzjys.net/xkweb/zxwuli/article/class13/200405/212_2.html 2、光的波粒二象性发现 3、光的发展史 |
