光是波動的?還是粒子的?

在物理學發展史上,歷時最久、爭議最大、影響深遠的無疑是關於光的本性的爭論,光的論戰貫穿了物理發展的過程,推動了物理與社會的進步,留下了不可磨滅的印記。我們就一起穿越時空,去看一看這場曠世持久的戰爭,目睹一下物理豪傑們的風采。

光是波動的?還是粒子的?

光,伴隨著我們的日常生活,從遠古時期,人們就利用火焰發出的光驅趕野獸、獲取熱量;看到閃電時,以為是天神震怒。到了公元前330年,著名數學家歐幾里德對光的反射進行了詳細的推導證明,開啟了對光的性質的種種研究的先河;1621年,荷蘭物理學家菲涅爾在托勒密、開普勒的基礎上總結了光的折射定律;一年之後,法國物理學家費馬提出的最短時間原理,使光學作為一門正式的學科被建立起來。

在近千年的發展中,人們對光的行為已經瞭然於胸。此時,不得不面對一個尷尬的問題“光到底是什麼",這個看似簡單的問題,讓無數物理才子們在此折腰,吸引了一代又一代的物理大師。十七世紀的時候,笛卡爾首先提出了一種推斷”光作為一種壓力,在介質中傳播”。不久之後,意大利科學家格里馬迪做了一個實驗,讓一束光穿過兩個小孔照到暗室的屏幕上,在屏幕上發現了明暗相間的條紋。他根據日常可見的水波的現象,認為“光可能是一種波”。

光是波動的?還是粒子的?

在光的波動說日益佔據上風之時,一個影響物理乃至世界的風雲人物出現了,這就是艾薩克牛頓。1672年,年輕的牛頓向英國皇家學會提交了一篇論文《關於光與色的新理論》,論文主要內容是描述光的色散的實驗,牛頓認為光是不同顏色微粒的混合。這篇文章受到了當時評審成員胡克與波義耳的批鬥。這可以算是第一次光之戰,微粒派一敗塗地。而此時的波動派又得到了一名大將:惠更斯,惠更斯引入了波前的概念,併成功證明了光的反射和折射定律。並且,惠更斯利用牛頓環實驗和方解石晶體的雙折射現象,捍衛了光的波動性。到1690年,《光論》的發表,波動說被越來越多的人認可。

那麼經歷第一次失敗後的牛頓會就此罷休嗎?答案顯而易見。在波動派的元老胡克去世之後的第二年,牛頓的鉅著《光學》出版,牛頓在書中,從粒子的角度解釋了牛頓環及衍射實驗中的現象;並對波動說提出質疑,如果光是一種波,那麼光為什麼無法繞過障礙物前進?這時的牛頓已經發明瞭微積分、建立了力學體系,不再是當初那個初入議會的毛頭小子,在議會已經擁有舉足輕重的地位。這一次戰爭對於波動派來說無疑是毀滅性的,他們所擁有的陣地幾乎一夜喪失。從這之後的一百多年裡,微粒說成為物理界的主流,波動說只能躲在暗處,默默舔著傷口,等待著東山再起的那一天。

光是波動的?還是粒子的?

一個世紀後的人們已經完全接受了微粒說,對於波動說幾乎忘記了其的存在。1773年,托馬斯楊,將帶領波動軍捲土重來的領袖誕生了。1807年,楊的文章《自然哲學講義》裡面的著名的楊氏雙縫干涉實驗,成為又一次光之戰的導火索。一開始,支持微粒說的人們對此冷嘲熱諷,不受重視。但是很快他們發現,這一實驗如同一把利劍直擊他們的心臟。無論如何解釋,都不能夠用微粒說解釋楊氏雙縫干涉實驗中的現象。

微粒軍與波動軍進入的戰略相持階段,誰也不服誰。但一位年輕的法國工程師菲涅耳發表的論文《關於偏振的相互作用》,利用光是一種波,圓滿的解釋了光的衍射。這給波動軍又一利器,微粒軍的城池不斷收縮。他們把最後的希望寄託在測定水中的光速上,不幸的是,法國科學家傅科實驗測出水中的光速小於真空中的光速,此刻,這一次戰爭,波動說大獲全勝。隨之,麥克斯韋建立起完整的電磁理論,同時預言光是一種電磁波,並由赫茲實驗所證實,波動說到達了光學領域的巔峰。

光是波動的?還是粒子的?

經過這幾次戰爭,時間已經發展到十九世紀末,此時物理學的大廈富麗堂皇,是物理學的全盛時期,波動學已經成為不可撼動的理論。此時,兩朵烏雲即將到來,這兩朵烏雲分別是邁克爾遜莫雷實驗的零結果、紫外災難,其中普朗克的量子理論解決了紫外災難的問題。

量子論的誕生,為下一次光之戰做下了鋪墊。一代傳奇大師愛因斯坦引入量子論完美解釋了光電效應,愛因斯坦提出光量子,認為光是一份一份的,這與當時人們認為光是一種波的觀點又產生了衝突,一場全面的戰爭即將爆發。似乎,微粒說即將迎來複興,微粒軍們已經看到了一點曙光。之後,康普頓散射實驗又振奮了微粒陣營的軍心。他們依靠著光電效應和康普頓效應這兩門武器,開啟了新一輪的全面反攻。

但此時,波動學的武器也今非昔比,麥克斯韋的電磁理論如同一座高山,挫敗微粒軍一次又一次的進攻,戰爭又進入僵持。對於光的本性,人們又陷入了迷茫。作為物理界的新秀,量子論並沒有因為這場戰爭而停止發展,其中德布羅意提出的微觀粒子的波粒二象性迅速變革著人們的思維。這個理論的提出,使得光到底是微粒還是波動的論戰戲劇性的收場,光即是一種粒子也是一種波動,兩者有如硬幣的正反兩面不可分割。

這大戰至此也落下了帷幕,未來是否還有新的戰爭..........


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