打我們襁褓中睜開雙眼感受這個光明的世界開始，我們就再也離不開“光”這個神奇的東西。它真的很神奇，它既不是固體、液體，也不是氣體，既不能捧之把玩，也不能食之果腹，古往今來，人們對“光”更是一種莫名的敬仰，如光榮、光明、風光、春光……等等一大波類似的詞語都是對人或物的極盡讚揚。而玩家們對於計算機性能的追求，不也可看作是一個追光的過程嗎？

對於絕大多數人來說，對於光的認識應該是非常非常貧乏的，比如曬太陽為什麼覺得熱？光如何引起我們的視覺？為什麼光有各種顏色？光是物質嗎？等這些問題能答上來應該沒幾個，其實，光的本性困擾著古往今來的所有物理學家，科學家們對光的認識也是歷經曲折。

科學家們對光的認識：粒子還是波？

關於光的第一個系統的理論是惠更斯1690年的《光論》，惠更斯認為光是一種光源發出的機械波。不久之後，牛頓在1704年發表《光學》提出一個截然不同的理論，此時距離他提出萬有引力定律、建立整個經典力學已經足足過去17年。牛頓力學仍是今天大部分物理學的基礎，但牛頓的光學體系早就已經支離破碎，可見對光的認識有多麼困難。牛頓認為光是從光源發出的高速直線運動的彈性微粒流，這些粒子就像小彈珠一樣，不同的彈珠有不同的顏色，它們攜帶能量，所以不斷照射可以生熱。

不過牛頓的理論幾乎沒有任何證據，他最有力的證據是他是英國皇家科學院院長。但是科學從不迷信權威，後來的實驗發現了光具有和水波非常相似的性質，惠更斯的波動說風靡一時。然而，牛頓畢竟還是牛頓，他提出的微粒說沉寂了201年後，在1905年又被愛因斯坦拿出來成功解釋了光電效應，並因此獲得諾貝爾物理學獎。沒錯，愛因斯坦不是因為相對論，而是因為光的微粒說獲得諾貝爾物理學獎！牛頓的棺材板是不是要壓不住了？兩百年前我就說過的東西，你們還搞不懂。

概括起來，人們對光的認識經歷了幾個這樣幾個階段：

1. 惠更斯和牛頓相繼提出兩種理論，都沒有足夠的證據，由於牛頓是院長，微粒說佔據主流；（牛頓發現的三稜鏡色散現象，證明了白光由七種單色光組成，用這兩種理論都解釋得通。）

2. 直到1801年一個叫楊的人做了一個實驗，證明了光是一種波，波動說又佔據上風；（這是後面重點要講的）

3. 1864年麥克斯韋方程組橫空出世，預言了光是一種電磁波，雖然不同於惠更斯所說的機械波，但波動說的地位更加難以動搖；

4. 1887年赫茲發現了光電效應，但無法用波動說解釋，1905年愛因斯坦又提出光子說，用量子的觀點解釋了光電效應；（光電效應：用光照一塊金屬板，金屬板中的電子會被打出來，這種電子稱為光電子。下圖金屬板連在驗電器上，就可以檢測出跑出來的電子的數量。）

5. 1923年德布羅意提出物質波，認為所有物質都對應著一種波，標誌著“波粒二象性”概念的建立，光既是粒子也是波。

探索光的本質

接下來我們就隨著歷史上物理學家的步伐，探索一下光是什麼。

要想深入瞭解光的本質，先要弄清楚波到底是個什麼玩意。生活中我們經常會看到波，比如水波、甩動繩子的一股股波，像這樣：

這些波都是機械波，它們在介質中傳播，比如水要依賴一個個水分子來傳遞這種振盪，繩子的每個質點扯動它附近的繩子以傳播波；最開始光的波動說也認為光是一種機械波，在“以太”中傳播，而麥克斯韋預言光是一種電磁波，是電場和磁場的交替變化在傳播，不需要介質，可以在真空中傳播。1887年邁克爾遜和莫雷證明了宇宙中不存在“以太”這種東西，證實了麥克斯韋的預言（沒錯，也就是在這一年，光電效應被發現，波動說無法解釋）。

但無論是機械波還是電磁波，既然都叫做波，必然有一種共性，那就是波的本質——干涉疊加。想象繩子中有兩列傳播方向相反的波，就會是這樣：

紅色和藍色代表兩列單獨的波，把它們的幅度代數相加，黑色則是繩子實際的振動情況。這樣兩列或多列獨立的波在空間上相遇時產生的疊加，我們就叫干涉。

在介紹那個叫楊的人的實驗之前，還要了解波的另一個特性，就是衍射。衍射就是波繞過障礙物繼續傳播的現象。生活中最常見的就是水波的衍射，水波經過一個縫之後，就會是這個樣子：

縫的寬度越窄，衍射作用就越明顯。

是不是平時如果窗戶開了一條很小的縫就會很吵，把窗戶關死就立刻安靜下來了？這完全是因為聲波衍射的結果。聲波的波長一般在零點幾米到十幾米左右，門縫的寬度就算一釐米，相比波長是非常小了，所以衍射效果很明顯。我們的收音機、手機信號也都需要通過衍射來傳到我們手機，如果你在一個密閉或者偏僻的角落信號就會很差了。

但是，光的波長在幾百納米，波長非常小，所以門縫什麼的對它來說都太寬了，所以我們一般說光沿直線傳播，就是認為它沒有衍射作用。1801年，托馬斯·楊巧妙設計了一個實驗，讓一束相干光經過兩個很小很小的狹縫，如果光是波，就應該會像水波一樣干涉：

而如果光是粒子，則應該會像子彈槍一樣（一個子彈槍掃射，如果只開1孔，牆上的子彈分佈應該會像P1一樣，2孔亦然，如果兩個孔都打開，毫無疑問牆上的子彈分佈就是P=P1+P2）：

事實是，光像水波一樣。楊氏雙縫干涉的結果是這樣的：

光通過雙縫後沒有照亮整個屏幕，而是出現明暗相間的條紋。這充分說明了光是波，而不是粒子！托馬斯·楊說：“儘管我仰慕牛頓的大名，但是我並不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步。”幾十年後，麥克斯韋的方程組告訴我們，光是一種電磁波，它是由於變化的電場和變化的磁場相互激發以在真空中傳播，徹底解釋了光的波動性的物理基礎。

看起來，光是一種波已經無可爭議了。但很快風雲突變，赫茲的光電效應無法用麥克斯韋的方程解釋。光電效應的詭異現象在於：如果增大入射光的強度，跑出來的光電子的速度並不會增大，僅僅是數目變多，看起來，每個電子都有自己的配額，注入能量越多，獲益的電子越多，但每個電子不會獲得更多的能量。波動說無法解釋這一現象，物理學再次陷入了困境。

1905年的愛因斯坦，26歲（孩子都兩歲大了），連發5篇論文，3月份用一篇論文解決光電效應並因此或諾獎，4月份用另一篇論文取得博士學位，5月一篇論文創立狹義相對論。開了掛吧？光電效應的解釋是，光是一種粒子（光子），每個光子都具有一個特定的能量值，這個值只和這個光子的頻率有關（光子哪來頻率？？其實是說的這個光子對應的電磁波的頻率，這就為日後的波粒二象性埋下了伏筆）。

光電效應中每個電子只吸收一個光子，所以當增大光強時實際上是增加了光裡面的光子數目，所以被打出來的光電子就變多了，但每個光電子獲得的能量還是一樣的，速度不會增加；如果改變入射光的頻率，相當於改變了每個光子的能量，頻率越高光子能量越大，如果光子的能量太小（頻率低於那個閾值），就不能激發光電子，光電效應就沒有了，這也符合實驗現象。所以我們平時看到的火焰，藍色的光子頻率高，溫度也就高，紅色黃色的就不行了，燒菜都要用藍色外焰燒哦~

看起來，波動說和粒子說公說公有理婆說婆有理，有時候粒子說解決不了的問題就用波動說解釋，波動說解釋不了的粒子說湊數。還可以這樣的嗎？

20世紀以前的物理學家，有研究力學的、熱學的、電學的、光學的，而20世紀的物理學家，全部都是研究量子力學的。1927年第五次索維爾會議合影（下圖），相信很多童鞋都知道這是

最天才的一張照片，29人中有17人獲得諾貝爾物理學獎（當然，居里夫人還獲得了化學獎）。索維爾會議，就是召集全天下最聰明的科學家來討論量子力學，因為沒有一個人能搞明白量子力學。

量子力學的產生，就從1900年普朗克提出量子假說、1905年愛因斯坦引入光子開始。1923年德布羅意說：任何一個物體都對應一種波，每個物體都有波粒二象性。我們先來看看1961年的電子干涉實驗，這個實驗被《Physics World》評為物理學史上最美的實驗。它美就美在用電子做出了跟楊氏干涉完全一樣的結果（像之前的子彈槍一樣，這次用電子槍掃射）：

這說明，電子也像光一樣，可以表現出跟乒乓球不一樣、而跟水波一樣的干涉疊加的性質。這證明了德布羅意的說法，我們有理由因此相信任何物體都具有波動性。什麼？那子彈槍那個實驗為什麼沒有波動性？實際上，根據德布羅意給出的計算公式，對於子彈來說，波長是如此之短，以至於干涉圖案變得非常細密，細密到人們用任何探測器都無法分辨，我們所看到的子彈的分佈只是干涉的一種平均（下圖右）。

各位童鞋一定承認我說得好像很有道理，但還是不太相信，所有物質都對應一種波？啥意思？德布羅意自己也搞不清楚。1926年馬克思·玻恩提出統計詮釋，認為這種波是一種概率波，即粒子出現在空間某一位置的概率，所以大量電子或光子可以體現出波動性，他們出現在不同位置的概率有的位置大有的位置小，就表現出了干涉的圖樣。

後來，人們可以控制光子一個一個地發射，每個光子通過雙縫後，都會打在接受屏的某一個位置，這是妥妥的粒子性。但每次同樣地發出一個光子，光子最終到達的位置是不一樣的，如果一個一個發射很多很多的光子，他們就會按照概率的統計分佈在屏幕上，形成干涉圖樣（單光子干涉）。少量光子往往體現粒子性，而大量光子則體現波動性。

光是物質，它攜帶有能量，是波也是粒子

等等等等生活中的光學現象，只要從粒子性和波動性兩個角度考慮一下，沒有什麼解釋不了的呢。故事也聽了，知識也學了，自己能說清光是什麼了嗎？來來來，劃重點，1801年的楊氏干涉說明光是波，1905年愛因斯坦光電效應說明光是光子，1961年電子干涉實驗證明一切物質都既是波也是粒子，叫做波粒二象性。

現在明白光是什麼了吧？現在想想開頭提出的問題。為什麼曬太陽會熱？因為光子攜帶能量，也因為電磁波傳輸能量。光如何引起我們的視覺？因為有光子打在我們的視網膜上，也因為電磁場的振盪引起視神經的反應。光為什麼有各種顏色？因為不同頻率的光子攜帶的能量不一樣，電磁場的振盪速度也不一樣，引起視神經不同的感覺。光是物質嗎？是的，光具有能量和動量，當它照在靶上時會產生壓力，稱為光壓，小編將來的研究方向就是光壓驅動其它粒子加速哦。