光究竟是什麼，古希臘人認為光是由非常小的微粒“光原子”組成，蘊含着非常樸素的辯證唯物主義觀點，古代中國對于光究竟是什麼，就比較哲學了，古中國科學家認為光産生于氣，是一種由光源發出的特殊的氣。

對于光的系統研究，西方起源于笛卡爾，笛卡爾在《屈光學》中首次對折射定律提出了理論論證。他還解釋了人的視力失常的原因,并設計了矯正視力的透鏡。

笛卡爾提出了光的波動學說的雛形，然後在1660年代，著名物理學家胡克發表了他的光波動理論。他認為光線在一個名為發光以太的介質中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。并且對惠更斯給完善。

後來，光的波動學說被惠更斯完善，1678年，惠更斯在法國科學院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，并在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理，促進了光學研究的發展。

《光論》裡面所涉及到的最重要的光學理論就是光波理論。他認為從波源發射出的子波中的每一點都可以作為子波的波源，每個子波波源波面的包洛面就是下一個新的波面。在此原理基礎上，他發現了光的衍射、光的折射定律和反射定律，解釋了光在光密介質中傳播速度減小的原因。

然而，同時代的牛頓卻并不認同光是一種波，他認為光是一種微粒，在牛頓之前，法國數學家皮埃爾·伽森荻提出物體是由大量堅硬粒子組成，牛頓非常認同伽森荻的觀點，他根據光的直線傳播規律、光的偏振現象，最終于 1675 年提出假設，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。微粒說由此産生。

兩個人由此掀起了長達 300 年波粒大戰，當時惠更斯和胡克先後去世，牛頓出版巨著《光學》，這本著作彙聚了牛頓在劍橋三十年研究的心血，從粒子的角度，闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的内容，他更從波動說中汲取養分，将波動說中的震動、周期等理論引入粒子論，全面完善補足了粒子學說。緊接着他将波動說無法解釋的問題一一提出，并對惠更斯當年的《光論》加以駁斥。

随着牛頓的聲名愈發隆盛，牛頓的微粒學生可以說在長時間裡壟斷了對光的解釋權。

後來，著名科學家托馬斯.楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，他突然産生了疑問“為什麼會形成一明一暗的條紋呢？”他想：“用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是“同向”的，它們的波峰和波谷正好相互增強，結果造成了兩倍光亮的效果；而暗的那些條紋，則一定是兩道光正好處于“反向”，它們的波峰波谷相對，正好相互抵消了。“

後來他著名的楊氏雙縫幹涉實驗。就是把一個手電筒放在一張開了一個小孔的紙前邊，然後在紙後邊再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到牆壁上，就會形成一系列明、暗交替的條紋。

這個實驗成了支持光的波動理論的絕佳例子，楊氏雙縫實驗也被稱為光的幹涉現象，幹涉這個名詞也是楊首次提出的。他證實了光纖通過平行且距離很小的兩個小孔，通過兩小孔頻率相同的光會發生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實驗結果給學界帶來了很大的沖擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論，再到後來菲涅爾、傅科、核磁紛紛通過實驗證明光波動理論的正确性， 歐拉也是波動學說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》中闡述了他的這一觀點，他認為波理論更容易解釋衍射現象。

可以說從牛頓開始的 300 年裡，關于光究竟是波還是粒子的争論一直沒有停止，兩大學說可以說有很多的擁簇，可以說輪流壟斷了對光的解釋權。

而到了 19 世紀末 20 世紀初，物理學向微觀領域發展，這個問題也就轉變成了粒子層面了，它們究竟是光還是波？

在當時，海森堡就認為電子是量子化的，像粒子一樣在不同軌道上躍遷。而薛定谔則認為電子是一種波，就像雲彩一般（電子雲說法的由來），放大來看後，就好像在空間裡融化開來，變成無數振動的疊加。

而讓愛因斯坦獲得諾獎的光電效應就初步提出了波粒二象性的概念，次論戰還是還是起源于楊的雙縫實驗，不過愛因斯坦得出了不一樣的結果，當你降低光的強度，直到每次隻有一個光子進入整個實驗裝置時，奇異之旅就開始了。1905 年，愛因斯坦已經明确提出，單個光子是一個粒子。由此愛因斯坦提出的光量子理論，解釋了光電效應，并因此獲得了諾貝爾獎。

在愛因斯坦提出光量子理論之後，大家發現楊的實驗結果也并沒有錯，這個時候人們開始意識到光波可能同時具有波和粒子的雙重性質。

而真正提出了光粒二象性理論的則是德布羅意，為了解釋 X 射線上出現的現象，1920 年，德布羅意重新開始研究理論物理，特别是關于量子問題，在1923年9月和10月，德布羅意在《法國科學院院導報》上發表了的三篇有關波和量子的短篇論文，這個時候就已經初顯他物質波的思想。

最終， 1924 年，德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中初步提出了相位波也就是物質波的概念，在這篇論文中運用了兩個最亮眼的公式： E=hv 和 E=mc2。

德布羅意博士論文部分截圖，論述光子能量公式部分，需要完整論文的可以和我要鍊接

這都是愛因斯坦最著名的關系式，前者對光子能量而言（第一個公式的提出有普朗克的功勞），後者是描述質量與能量之間的當量關系。

德布羅意把兩個公式綜合再作出假設，他認為光量子的靜止質量不為零，而像電子等一類實物粒子則具有頻率的周期過程。

所以在論文中他才得出一個石破天驚的結論， 任何實物微粒都伴随着一種波動。

這種波被德布羅意稱為稱為相位波 。

相位波

在這個博士論文中，德布羅意首次正式提出了“波粒二象性”，他指出波粒二象性不隻是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動量與波長的關系式 p=h/λ 推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等于普朗克恒量 h 跟粒子動量 mv 的比，即 λ= h/（mv）。這個關系式後來就叫做德布羅意公式。而且根據這一假說，電子也會具有幹涉和衍射等波動現象。

電子衍射

德布羅意的理論中揭示了每一種微觀粒子都具有波粒二象性。1921 年，著名美國科學家戴維森和助手康斯曼在用電子束轟擊鎳靶的實驗中偶然發現，鎳靶上發射的“二次電子”竟有少數具有與轟擊鎳靶的一次電子相同的能量，顯然是在金屬反射時發生了彈性碰撞，他們特别注意到“二次電子”的角度分布有兩個極大值，不是平滑的曲線。他們并沒有意識到這其實是一種衍射現象，試圖仿照盧瑟福 α 散射實驗試圖用原子核對電子的靜電作用力解釋這一曲線。所以當戴維森繼續做電子散射實驗想繼續獲得這種曲線的時候，結果并不理想。

後來戴維森随著名物理學家裡查森參加了會議。意識到他們進行的實驗有可能是德布羅意物質波假說所預言的電子衍射的證據。

裡查森

回到美國之後，他馬上就重新做了該實驗，于1927年發表了實驗結果。 這個實驗，也正是德布羅意論答辯當日提出的“電子的衍射實驗”。 也就是說如果電子具有波動性，那麼電子束在通過障礙物時應該會和光一樣産生衍射。

電子衍射實驗示意圖

幾乎是同時，著名物理學家、電子的發現者J.J湯姆遜的兒子P.G.湯姆遜也以高速電子穿過多晶金屬箔獲得類似X射線在多晶上産生的衍射花紋，确鑿證實了電子的波動性；為德布羅意波提供了又一堅實的基礎。 他們兩個人一起于1937年斬獲諾獎。

單電子雙縫實驗

在這之後，各種粒子的衍射實驗也被證實成功，德布 羅意的理論徹底無懈可擊。

P.G湯姆遜（另一位諾獎得住J.J湯姆遜之子）

對德布羅意物質波的研究在 21 世紀也沒有停止，2015年瑞士洛桑聯邦理工學院科學家就成功拍攝出光同時表現波粒二象性的照片。

底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。

波粒二象性是微觀世界的基石 波粒二象性是量子理論建立及發展過程中的一個非常基本而又重要的思想,同時也是微觀粒子的固有屬性。上帝似乎在和這三百年來參與論戰的所有科學家開了一個大大的玩笑，這場持續日久，參與者衆多的大論戰，最終卻沒有輸者，因為他們極力捍衛的學說都是正确的，隻不過對了一半。。。

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