之前我們講了科學(xué)家們通過研究黑體輻射，發(fā)現(xiàn)了能量量子化理論，從而開創(chuàng)了物理學(xué)的新的征程——量子力學(xué)。在繼續(xù)量子力學(xué)的征途之前，我們不妨先來回顧一下人們對于一個古老的問題的爭論：光到底是什么。因為，量子力學(xué)的許多神奇問題，正是出于人們對于光的本性的探討和認(rèn)識。

這一回，我要給大家科學(xué)家們對光的本性的爭論——波粒戰(zhàn)爭，在100年的爭論中，世界第一流的科學(xué)家悉數(shù)登場，戰(zhàn)斗的精彩和激烈，也許只有后面愛因斯坦和波爾之戰(zhàn)才能與之媲美。

一.古希臘時代

人們?yōu)槭裁茨芸匆娢矬w？早在幾千年前的古希臘時代，人們就對于這個問題有過許多爭論。比如，古希臘偉大的唯物主義哲學(xué)家德謨克利特，提出了進(jìn)入說：他認(rèn)為物質(zhì)是由原子構(gòu)成，原子會向外發(fā)射一種粒子，而這種粒子就是光，光進(jìn)到人的眼睛里，人們就看見東西了。

和德謨克利特并駕齊驅(qū)的人是畢達(dá)哥拉斯，他提出了發(fā)射說：人的眼睛能夠往外發(fā)射一種觸手，叫視手。這個觸手摸到物體時，人的眼睛就看見東西了。但是這無法解釋為什么在黑暗處人們就看不到物體。

機智的柏拉圖就不會那么早妄下定論，而是綜合之前別人提到的觀點，最終提出遇見說：人的眼睛和太陽都會發(fā)射光，當(dāng)這兩種光結(jié)合后，人才能看見東西。

二. 牛頓時代

古希臘的哲學(xué)家們拍腦袋探討光的本性，并沒有多少理論和實驗依據(jù)。真正的把光學(xué)變?yōu)橐婚T科學(xué)的人是那個被蘋果砸了腦袋的科學(xué)巨匠——艾薩克.牛頓。

1666年，牛頓22歲，在鄉(xiāng)下躲避瘟疫。他完成了一個重要的光學(xué)實驗：光的色散實驗。太陽光通過一個三棱鏡，陽光就神奇般的被分成了七種顏色。如果把七種顏色的光通過一個相反的三棱鏡，有可以匯聚成一束白光。他明白了：白光是由七種顏色的光組成。

牛頓還發(fā)現(xiàn)了一個神奇的光學(xué)現(xiàn)象：牛頓環(huán)。

一個球缺形的玻璃制品下面放一個玻璃平板，讓一束光從上往下照射，就會發(fā)現(xiàn)球缺上出現(xiàn)了一圈一圈的明暗條紋?，F(xiàn)在我們把牛頓環(huán)作為一種典型的干涉現(xiàn)象：光線在球面和平面上的反射光發(fā)生了干涉，它表明了光是一種波。

但是牛頓當(dāng)時不這么認(rèn)為，他堅定地認(rèn)為光是粒子。在1704年，牛頓寫出他的著作《光學(xué)》，在這本書里牛頓提出了微粒說的觀點：光是在以太中運動的微粒。牛頓的微粒說很容易解釋光的反射和折射，比如，光為什么在界面上會發(fā)生反射呢？因為光是個粒子，他撞了界面之后像臺球一樣反彈了。

牛頓在光學(xué)方面的貢獻(xiàn)是卓越的，即便他沒有發(fā)現(xiàn)牛頓三大定律和萬有引力定律，光學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)也足以讓他名垂青史。

然而，在那個牛頓稱霸學(xué)術(shù)界的年代，也有一些科學(xué)家反對光的微粒說。例如荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安.惠更斯和英國物理學(xué)家羅伯特.胡克。他們不謀而合得認(rèn)為光不是微粒，光是在以太中傳播的波。

人們很早就認(rèn)識了機械波，機械波就是振動的傳遞。例如：聲音就是機械波，它是在空氣介質(zhì)中傳播的振動。音叉振動時會周期性的擠壓附近的空氣，讓空氣振動起來。后面的空氣又會擠壓前面的空氣，于是聲波就往前傳遞了。

惠更斯和胡克認(rèn)為：光也是這樣一種機械波，發(fā)光的物體擠壓以太，以太振動起來，光就向前傳播。

1690年，惠更斯在他的著作《光論》中提出了著名的惠更斯原理，用以解釋光的傳播、反射和折射，光的波動說就這樣出現(xiàn)了。

在牛頓稱霸的幾十年里，他一直利用自己的權(quán)威打壓波動說，甚至銷毀了胡克所有的畫像。以至于當(dāng)時的人們大都認(rèn)為微粒說才是正確的。第一回合，微粒說勝出。

三.天才降臨——托馬斯楊雙縫干涉實驗

1773年，牛頓已經(jīng)去世四十五年，一個英國小男孩呱呱墜地，他的名字叫做托馬斯.楊。

托馬斯.楊是一個傳奇人物，據(jù)說他兩歲時就開始閱讀，13歲的時候已經(jīng)熟練掌握了拉丁文、希臘語、法語和意大利語，然后又開始研究希伯來語、阿拉伯語和波斯語。他比較了400種語言，提出了印歐語系。后來又憑借對羅塞塔石碑的研究，成為了最早破譯埃及象形文字的人之一。

除了在語言方面的天賦，托馬斯楊還是一個著名的醫(yī)生。20歲的時候，他發(fā)現(xiàn)了眼睛可以自動調(diào)節(jié)焦距，并提出了散光的原理。在心臟、血管等方面也很有建樹。

托馬斯.楊還會演奏當(dāng)時幾乎所有的樂器，甚至還有人傳言他會走鋼絲。溢美之詞多的難以言表，最后人們送他的稱號是：世界上最后一個什么都知道的人。?

不過，我們今天要講的是托馬斯楊在物理上的貢獻(xiàn)——著名的雙縫干涉實驗。

什么是干涉？兩列波相互相遇的時候，會發(fā)生振動的疊加。如果兩列波的波峰和波峰在某處相遇，這里就會出現(xiàn)大峰，振動加強；如果一列波的波峰和另一列波的波谷相遇了，峰谷相互抵消，振動就減弱了。有的地方振動加強，有的地方振動減弱，這就是干涉，比如下面就是水波的干涉圖樣。

如果要獲得穩(wěn)定干涉，需要兩列波頻率相同，相位差恒定，這一點在機械波上很容易滿足，所以機械波的干涉現(xiàn)象是很常見的。但是，普通光卻不滿足上面的條件，普通光是非相干光，很難發(fā)生干涉。

不過，這難不倒什么都知道的托馬斯·楊。1801年，28歲的托馬斯·楊提出了雙縫干涉實驗。

讓光源發(fā)出的光通過一個小孔（后來改為一個單縫），在后面再放置一對平行的雙縫，神奇的事情出現(xiàn)了：背后的光屏上出現(xiàn)了明暗相間的條紋！

條紋為什么會出現(xiàn)？因為光經(jīng)過單縫后，又被雙縫一分為二，這兩束光就像雙胞胎一樣具有完全相同的頻率和相位。兩束光到達(dá)屏幕上的不同位置時，由于走的路程不同，有的地方是波峰和波峰疊加，干涉加強，就形成了量紋；有的地方是波峰和波谷疊加，干涉減弱，就形成了暗紋。

光可以發(fā)生干涉！而干涉是波的特點！托馬斯楊據(jù)此提出：牛頓錯了，光是一種波！

托馬斯楊的實驗在科學(xué)界扔下了一顆原子彈，幾乎沒有人支持他，以至于他寫成了專著之后只賣出去1本。悲傷和無助讓他放棄了物理學(xué)研究，也就成就了他在語言學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的建樹。

四.再補一刀——泊松亮斑

盡管托馬斯·楊的實驗已經(jīng)清楚的證明了光的波動性，但是有一些粒子說的支持者不死心，他們攛掇法國科學(xué)院組織了一個有關(guān)光的本性的征文比賽，希望以此重樹微粒說的雄風(fēng)。

在那個年代，法國科學(xué)院特別喜歡組織類似的征文比賽。在1817年的那次比賽中，一個年輕的物理學(xué)家菲涅耳提出的衍射理論，又給了微粒說致命一擊。

衍射也是波的特點，表示波可以繞過障礙物，繼續(xù)往前傳。例如，水波遇到一個小孔，會從小孔中穿過，而且穿過之后水波會發(fā)散。聲波也具有這個特點，所以我們在墻里面說話，墻外的人也能夠聽到。

光波也有這個特點，假如你用一個非常小的物體擋光，光也可以繞到障礙物后面。針對這個特點，二十九歲的菲涅爾，毛遂自薦，向法國科學(xué)院提交了一篇論文，在文中他吸收托馬斯·楊的實驗的思想，重新表述了惠更斯原理，提出了一套計算方法用以解釋光的衍射現(xiàn)象，他認(rèn)為光是一種波。

組織這個比賽的目的是讓人們用粒子說解釋干涉和衍射實驗，結(jié)果菲涅爾用波動說解釋的如此完美，無懈可擊。法國科學(xué)院炸鍋了，大批粒子說的支持者：著名的法國數(shù)學(xué)家泊松、被稱為法國牛頓的物理學(xué)家拉普拉斯、化學(xué)家蓋呂薩克等人坐不住了，他們與支持波動說的科學(xué)家——當(dāng)過法國總理的科學(xué)家阿拉果進(jìn)行著激烈的辯論。

在辯論賽中，最讓人印象深刻的非泊松莫屬。

泊松說：菲涅爾的計算看似優(yōu)美，實際上肯定是錯的。因為，按照菲涅耳的計算，如果用一個束平行光照射不透明的小圓盤，小圓盤背后的陰影中心會出現(xiàn)一個亮點。這是因為從邊緣繞過圓盤的光會在背后陰影的中心疊加加強。陰影中心是亮的，這簡直是天方夜譚！

不過，阿拉果并沒有屈從于泊松的權(quán)威（這可能是因為他自己也是權(quán)威），他按捺著自己激動的心情，淡淡的說：那么我們做個實驗驗證一下好了。

實驗很快就有了結(jié)果，陰影中心果然有一個亮點！那么，就叫它泊松亮斑吧！

尷尬的泊松之前一定沒想到，自己的名字居然會這樣和光的波動性聯(lián)系在一起。自己本來是為了駁倒波動說，結(jié)果自己反而為粒子說補了最后一刀。

波粒戰(zhàn)爭第二回合，波動說勝出。?

從牛頓提出微粒說，到人們確認(rèn)光是波，經(jīng)歷了100多年。牛頓、胡克、惠更斯、托馬斯楊、菲涅耳、泊松、阿拉果…一系列光輝的名字都融入了這場恢弘的戰(zhàn)斗之中。幾十年后，經(jīng)過麥克斯韋的貢獻(xiàn)，人們認(rèn)識到光不是機械波，而是電磁波，光的波動說正式確立。

然而，戰(zhàn)斗并沒有結(jié)束，愛因斯坦提出的光電效應(yīng)理論，康普頓發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，似乎預(yù)示著光還是一種粒子，而這又把物理學(xué)推向了新的高度。

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