“上帝”說：要有光明！所以有了光，地球就有了光，世界就充滿了無限的歡樂。但是全能的上帝留給我們一個非常困惑的問題：光是什麼？幾千年來，無數的學者和哲學家一直在思考這個問題。這個問題的答案幾乎包括了人類曆史上最聰明的智慧。古希臘人喜歡讨論問題，對光很好奇。畢達哥拉斯首先解釋說，光是一種光源周圍發射的東西，當遇到障礙物時會被反彈。

接着托勒密在《光學》一書中描述了光的折射，達芬奇也描述了光的反射并試圖解釋它。然後開普勒和斯内爾給出了光的折射定律的數據，但是他們沒有發表他們的研究成果 。

直到數學家笛卡爾提出光在折射中折射規律的數學幾何表達式，他對光同時留下了兩種可能的解釋：一種是光是一種類似于粒子的物質；另一種是光是一種以“以太”為介質的壓力，它可以是波。光究竟是什麼？不計其數的人繼續對此進行讨論甚至争論。

“波動說”和“微粒說”

意大利數學家格裡馬蒂說，光是波。他讓一束光線穿過兩個小孔，投射到暗室的屏幕上，發現屏幕上有光影條紋。這與水波的衍射非常相似，它顯示了光的波動。

光應該是波，英國物理學家胡克如是說。因為他用肥皂泡和薄雲母重複了格裡馬蒂的實驗，他認為“光是以太的一種縱向波”，而且光的顔色和其頻率有關。

“光怎麼可能是波？它就是一個粒子”，英國物理學家牛頓說。1666年，牛頓發現用棱鏡可以把白光分成不同的顔色，不同的單色光也可以合成白光，因此他成功地解釋了光的色散。牛頓的分光實驗使得光學從幾何光學向物理光學邁進。牛頓認為光應該由粒子組成，并且走最快的直線。光的分解和合成是不同顔色粒子分離和混合的結果。

所以圍繞這個問題有兩個學派——“波動派”和“粒子派”。事實上，牛頓起初并不特别反對波動派，但“粒子派”挑戰了胡克等先前的“波動派”，一系列争論最終導緻了牛頓和胡克終生的個人仇恨。胡克說，牛頓的一些研究是基于他的研究基礎，牛頓冷笑道：“那麼說我就是站在巨人的肩膀上了！”

1678年，荷蘭科學家惠更斯出版了《光的理論》，并發表了反對粒子理論的公開演講。牛頓非常生氣——作為當時世界上最聰明的人，他很快就找到了“波動派”的“弱點”用粒子理論解釋了光的現象。

這些理論都寫在他的《光學》一書中。這本書出版時，胡克和惠更斯已經不在人世，“波動派”也衰落了。牛頓利用他在力學上的卓越聲譽，輕易地發展和統一了“微粒學派”。雖然不是千秋萬載，但它統治了整個18世紀，這就是權威的力量。

東山再起的“波動說”

曆史的車輪總是向前滾動。在新自然哲學思潮下，權威不一定受到質疑。從1800年到1807年，托馬斯·楊再次高舉波動說理論的旗幟。作為新一代的領導者，楊運用物理學中最有力的研究方法：理論預測和實驗驗證，再進行理論解釋，逐步完善了波動理論。

楊首先把光和聲波進行對比，認為光在疊加後也有增大或減小的現象——光的幹擾。他做了著名的楊氏雙縫幹涉實驗，在理論上邁出了關鍵一步：光不是縱波，而是橫波（傳播方向與振動方向垂直）。十年後，法國土木工程師菲涅爾充分發揮業餘興趣，從理論上對光的幹涉進行了預測。在理解了托馬斯楊的工作之後，他進行了實驗驗證，并成功地建立了光的橫向傳播理論。之後，波動派終于再次崛起，繼續向前發展。

19世紀末，法拉第等人對電磁學的深入研究使人們初步形成了一個概念：光實際上是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程完美地解釋了所有的電磁現象，并推導出電磁波是以光速存在和傳播的。

我們看到的可見光實際上隻是一種電磁波。1888年，德國赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在！光不僅是波，而且是電磁波。除了光，無線電波、微波、紅外線、紫外線、x射線、伽馬射線等都是電磁波。它們之間的區别在于它們有不同的頻率。到目前為止，波動理論是完善的。

“波動說”的煩惱

然而，最完美的理論也是有缺陷的。人們總是困惑于這樣一個問題：既然光是波，那麼什麼是傳播光的載體？

笛卡爾說是以太，那麼以太是什麼？為什麼我們人類看不見？以太，源于希臘語，最初指的是神在天空中呼吸的空氣。無色、無味、無聲、無所不在于宇宙間的物質。孔子的“仁”，墨子的“兼愛”、佛教的“慈悲”、基督教的“靈魂”，都是以太功用的結果。簡而言之，以太是過去和未來最神秘的物質。尋找以太的過程也充滿了哲學和宗教的感覺。以太已成為19世紀物理學家談論最多的話題。根據已知的光的性質，推測以太是傳播剪切波的固體介質，是一個絕對靜态的參照系。

但是由此一來，固态的以太則可能影響天體的自由運動，而橫向的振動也很可能引起縱向的振動。在關鍵時刻，還需要實驗來說話。1887年，邁克爾遜和默裡進行了“以太漂移”實驗。這是一個非常微妙的實驗：如果地球相對于絕對靜止的以太運動，那麼如果光沿着這個方向運動，那就是光速和地球運動速度的疊加，并且沿着這個方向的傳播速度更小。

通過測量兩束光形成的幹涉條紋數，可以準确地得到兩束光之間的光程差，進而得到兩束光之間的速度差。因此，隻要在不同方向上測量幹涉儀，就可以确定地球相對于以太的速度方向和大小。

結果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向幾乎不變，換句話說，以太是不存在的！人們開始惶然不知所措。事實上，在實驗結果出來之前，瑞士某專利局的一名小職員就指出，如果放棄所謂絕對時間之類的概念，那麼絕對靜止的參照系——以太的概念也可以扔掉。人們要接受光速不變原理，那麼就可以得到物體在接近光速情況下高速運動的物理、學，在那裡運動的鐘會變慢，運動的尺子會縮短。這個新物理學叫相對論，那位叫愛因斯坦的小職員作為20世紀最為卓越的物理學家開創了現代物理新世界。

波動說的煩惱還不僅僅在于找不到“以太”這個載體，更可怕的烏雲一朵接一朵地飄來。當時的實驗還有另一個現象：當用紫外線照射兩個金屬球時，電火花似乎更易出來，即光對金屬的照射可以産生電子。這就是光電效應的發現，愛因斯坦後來對其做出了解釋，他認為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子将吸收其能量并逃逸出來。光的微粒說再次浮出水面！愛因斯坦把光的微粒叫做“光子”。

光子的概念并不是他的原創，而來自于德國的普朗克對黑體輻射的解釋。

普朗克通過引入一個新的概念——把光的能量分成不連續的許多份，每一份叫做能量的“量子”，通過統計能量量子的分布，就可以得到完全符合實驗譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續的量子化，這在當時絕大部分科學家心目中是不能接受的。普朗克也因為引入能量量子而心中不安，他甚至内疚地認為不應該對經典的電磁理論提出質疑，因為它是那麼地完美無瑕。隻有年輕大膽的愛因斯坦，不僅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應。新的微粒說——光的量子說由此誕生。

粒子就是波？

如果光具有量子化的粒子性，那麼其他電磁波會如何？1923年，康普頓發現x射線被電子散射後頻率會變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問題是，那原先人們認為是粒子的電子等會不會有波動性呢？1927年，傑默爾和湯姆森先後證實了電子束的波動性質，随後人們還發現氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質。事實上，如果讓可見光、x射線、電子甚至中子穿過合适的物質都可能發生衍射現象，即波強度存在增強和減弱的效應，而“合适”的物質，實際就是其間隙和射線的波長相比拟——這正是波發生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？徹底把大夥兒給搞糊塗了。

正是在粒子和波的混沌中，物理學迎來了曆史上最偉大的革命——量子力學的誕生。早在1913年，玻爾就用量子化能量的概念成功地解釋了原子行星模型。1924年，法國德布羅意提出了波粒二象性的概念，光不僅具有波粒二象性，而且幾乎所有的微粒或電磁波都具有波粒二象性。這樣，粒子就是波，波就是粒子，兩者都是同一對象的兩個屬性。

今天，關于光的粒子理論和波動理論的争論已經逐漸成為一個遙遠的傳說。隻有在漫長的曆史長河中，才有無數的智者留下來，照亮未來。

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