光是什么?

上帝说：要有光!于是有了光，大地有了光明，人间充满无限欢腾。可是万能的上帝遗留给人类一个极其困惑的问题——光是什么?千百年来，无数学者和哲人为这个问题苦苦思索，围绕这个问题的答案几乎囊括了人类史上最聪明的智慧。喜欢讨论问题的古希腊人对光充满着好奇，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。而后托勒密在《光学》一书中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，他们并没有发表其研究。直到数学家笛卡尔在《屈光学》中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性解释：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，可能是波。光究竟是什么?无数人继续为此探讨乃至于争论。

　　

　　“波动说”和“微粒说”的最韧论战

　　

　　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，结果发现在投影屏幕上有明暗相问的条纹。这和水波的衍射非常相似一说明了光的波动性。

　　光应该是波，英国物理学家胡克如是说。因为他用肥皂泡和薄云母重复了格里马蒂的实验，他认为“光是以太的一种纵向波”，而且光的颜色和其频率有关。

　　光怎么会是波，明明是粒子嘛，英国物理学家牛顿如是说。1666年牛顿利用三棱镜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为白光，为此他成功解释了光的色散现象。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。

　　于是围绕这个问题就有了两大门派——“波动说”和“微粒说”。其实牛顿起初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，一系列争论最终导致了牛顿和胡克的终身私人仇恨。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!”1678年，荷兰人惠更斯出版了《光论》并公开演说反对微粒说。牛顿非常生气——作为当时全世界最聪明的人，他很快就找到了波动说的脉门，并且用微粒说解释了光的现象。这些理论写在了他的《光学》一书里，该书出版时，胡克和惠更斯已不在人世，“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”发展壮大并一统江湖。虽然不是千秋万载，但却统治了整个18世纪，这就是权威的力量。

　　

　　东山再起的“波动说”

　　

　　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。1800～1807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，从而逐渐完善了波动说。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并迈出了理论上的关键一步：光不是纵波，而是横波(传播方向与振动方向垂直)。10年后，法国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，波动派终于东山再起，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解释了所有电磁学现象，并且由此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。波动说至此可谓达到了完美。

　　

　　“波动说”的烦恼

　　

　　可是，再完美的学说也有瑕疵，人们始终为一个问题而困惑：既然光是波，那么传播光的载体是什么?笛卡尔说是以太，那么以太是什么?怎么我们人类看不到?以太，英文Ether，来自希腊语，原意指的是天上诸神呼吸的空气，康有为和谭嗣同等认为以太是无色、无味、无声、无所不在于宇宙间的物质，孔子的“仁”、墨子的“兼爱”、佛教的“慈悲”、基督教的“灵魂”等都是以太的作用所致。简而言之，以太就是前无古人后无来者的最最神秘的物质，寻找以太的过程也充满着哲学和宗教的意味，以太成为19世纪的物理学家们最为津津乐道的话题。根据已知的光的性质，大家猜测以太是一种传播横波的固体介质，它是一个绝对静止的参照系。但是由此一来，固态的以太则可能影响天体的自由运动，而横向的振动也很可能引起纵向的振动。关键时刻还是需要实验来说话，英国迈克尔逊和莫雷在1887年做了所谓的“以太漂移”实验。这是一个非常精巧的实验：如果地球是相对于绝对静止的以太运动，那么若光线沿此运动方向传播则是光速和地球运动速度的叠加，而沿着垂直该方向传播的速度则要小一些。他们将一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光，通过测量两束光形成的干涉条纹数目，可以精确地得到两者的光程差，进一步得到两束光的速度差别。因此，只要将干涉仪沿着不同方向测量，就可以判断地球相对于以太运动的速度方向和大小。结果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向几乎不变，换句话说，以太是不存在的!人们开始惶然不知所措。事实上，在实验结果出来之前，瑞士某专利局的一名小职员就指出，如果放弃所谓绝对时间之类的概念，那么绝对静止的参照系——以太的概念也可以扔掉。人们要接受光速不变原理，那么就可以得到物体在接近光速情况下高速运动的物理、学，在那里运动的钟会变慢，运动的尺子会缩短。这个新物理学叫相对论，那位叫爱因斯坦的小职员作为20世纪最为卓越的物理学家开创了现代物理新世界。

　　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。当时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。普朗克通过引入一个新的概念——把光的能量分成不连续的许多份，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。新的微粒说——光的量子说由此诞生。

　　

　　粒子就是波?

　　

　　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。

　　正是在粒子和波的一片混乱之中，物理学迎来了史上最伟大的一场革命一量子力学诞生了。早在1913年，玻尔就用量子化的能量概念成功解释了原子的行星模型。1924年，法国的德布罗意提出了波粒二象性的概念，不只是光具有波粒二象性，几乎所有微观粒子或者电磁波都是如此，这么一来，粒子就是波，波就是粒子，两者是同一物体上的两种属性而已。

　　到了今天，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。(文章代码：101504)

　　

　　[责任编辑]李军