光是什么?

上帝說(shuō)：要有光!于是有了光，大地有了光明，人間充滿無(wú)限歡騰?？墒侨f(wàn)能的上帝遺留給人類一個(gè)極其困惑的問(wèn)題——光是什么?千百年來(lái)，無(wú)數(shù)學(xué)者和哲人為這個(gè)問(wèn)題苦苦思索，圍繞這個(gè)問(wèn)題的答案幾乎囊括了人類史上最聰明的智慧。喜歡討論問(wèn)題的古希臘人對(duì)光充滿著好奇，畢達(dá)哥拉斯最早把光解釋為光源向四周發(fā)射的一種東西，遇到障礙物即被彈開(kāi)。而后托勒密在《光學(xué)》一書(shū)中描述了光的折射現(xiàn)象，達(dá)芬奇也描述過(guò)光的反射現(xiàn)象等并試圖做出解釋，而后開(kāi)普勒及斯涅耳的實(shí)驗(yàn)給出了光的折射定律的數(shù)據(jù)，只是，他們并沒(méi)有發(fā)表其研究。直到數(shù)學(xué)家笛卡爾在《屈光學(xué)》中提出了光的折射定律的數(shù)學(xué)幾何形式表達(dá)，他同時(shí)留下了對(duì)光的兩種可能性解釋：一是說(shuō)光是類似于微粒的物質(zhì)；二是說(shuō)光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力，可能是波。光究竟是什么?無(wú)數(shù)人繼續(xù)為此探討乃至于爭(zhēng)論。

“波動(dòng)說(shuō)”和“微粒說(shuō)”的最韌論戰(zhàn)

光可能是波，意大利數(shù)學(xué)家格里馬蒂如是說(shuō)。他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔并投影到暗室屏幕上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在投影屏幕上有明暗相問(wèn)的條紋。這和水波的衍射非常相似一說(shuō)明了光的波動(dòng)性。

光應(yīng)該是波，英國(guó)物理學(xué)家胡克如是說(shuō)。因?yàn)樗梅试砼莺捅≡颇钢貜?fù)了格里馬蒂的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為“光是以太的一種縱向波”，而且光的顏色和其頻率有關(guān)。

光怎么會(huì)是波，明明是粒子嘛，英國(guó)物理學(xué)家牛頓如是說(shuō)。1666年牛頓利用三棱鏡發(fā)現(xiàn)一束白光可以分成不同顏色的光，而不同的單色光也可以合成為白光，為此他成功解釋了光的色散現(xiàn)象。牛頓的分光實(shí)驗(yàn)讓光學(xué)從幾何光學(xué)跨入到了物理光學(xué)。牛頓認(rèn)為光應(yīng)該是由微粒組成，并且走最快速直線路徑，光的，分解和合成就是不同顏色的微粒分開(kāi)和混合的結(jié)果。

于是圍繞這個(gè)問(wèn)題就有了兩大門(mén)派——“波動(dòng)說(shuō)”和“微粒說(shuō)”。其實(shí)牛頓起初并不特別反對(duì)波動(dòng)說(shuō)，但“微粒說(shuō)”對(duì)胡克等前人的“波動(dòng)說(shuō)”發(fā)起了挑戰(zhàn)，一系列爭(zhēng)論最終導(dǎo)致了牛頓和胡克的終身私人仇恨。胡克說(shuō)牛頓的一些研究是以他的研究為基礎(chǔ)的，牛頓便冷笑道：“那么說(shuō)我就是站在巨人的肩膀上了!”1678年，荷蘭人惠更斯出版了《光論》并公開(kāi)演說(shuō)反對(duì)微粒說(shuō)。牛頓非常生氣——作為當(dāng)時(shí)全世界最聰明的人，他很快就找到了波動(dòng)說(shuō)的脈門(mén)，并且用微粒說(shuō)解釋了光的現(xiàn)象。這些理論寫(xiě)在了他的《光學(xué)》一書(shū)里，該書(shū)出版時(shí)，胡克和惠更斯已不在人世，“波動(dòng)派”便衰微不振。牛頓利用他在力學(xué)上的卓越聲望，輕松地把“微粒派”發(fā)展壯大并一統(tǒng)江湖。雖然不是千秋萬(wàn)載，但卻統(tǒng)治了整個(gè)18世紀(jì)，這就是權(quán)威的力量。

東山再起的“波動(dòng)說(shuō)”

歷史的車(chē)輪總是滾滾向前的，在新自然哲學(xué)思潮下，權(quán)威也未必不被人懷疑。1800～1807年，托馬斯·楊再次扛起了波動(dòng)說(shuō)的大旗。作為新一代掌門(mén)，楊用物理學(xué)最有力的研究方法——理論預(yù)言加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、然后再理論解釋，從而逐漸完善了波動(dòng)說(shuō)。楊首先把光和聲波進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為光同樣存在疊加后增強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象——光的干涉。他做了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)并邁出了理論上的關(guān)鍵一步：光不是縱波，而是橫波(傳播方向與振動(dòng)方向垂直)。10年后，法國(guó)土木工程師菲涅爾發(fā)揮業(yè)余興趣，從理論上給出了光的干涉預(yù)言，并在了解托馬斯·楊的工作之后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功建立了光的橫向傳播理論。之后，波動(dòng)派終于東山再起，而且還不斷發(fā)揚(yáng)光大。19世紀(jì)后期，法拉第等人對(duì)電磁學(xué)的深入研究讓人們初步形成一個(gè)概念：光其實(shí)就是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個(gè)方程完美地解釋了所有電磁學(xué)現(xiàn)象，并且由此推論出電磁波的存在且以光速傳播，我們看到的可見(jiàn)光實(shí)際上不過(guò)是電磁波的一種。1888年德國(guó)的赫茲通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在!光不僅僅是波，而且是電磁波，除了光之外，無(wú)線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等等都是電磁波，它們之間的區(qū)別在于頻率不同而已。波動(dòng)說(shuō)至此可謂達(dá)到了完美。

“波動(dòng)說(shuō)”的煩惱

可是，再完美的學(xué)說(shuō)也有瑕疵，人們始終為一個(gè)問(wèn)題而困惑：既然光是波，那么傳播光的載體是什么?笛卡爾說(shuō)是以太，那么以太是什么?怎么我們?nèi)祟惪床坏?以太，英文Ether，來(lái)自希臘語(yǔ)，原意指的是天上諸神呼吸的空氣，康有為和譚嗣同等認(rèn)為以太是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)聲、無(wú)所不在于宇宙間的物質(zhì)，孔子的“仁”、墨子的“兼愛(ài)”、佛教的“慈悲”、基督教的“靈魂”等都是以太的作用所致。簡(jiǎn)而言之，以太就是前無(wú)古人后無(wú)來(lái)者的最最神秘的物質(zhì)，尋找以太的過(guò)程也充滿著哲學(xué)和宗教的意味，以太成為19世紀(jì)的物理學(xué)家們最為津津樂(lè)道的話題。根據(jù)已知的光的性質(zhì)，大家猜測(cè)以太是一種傳播橫波的固體介質(zhì)，它是一個(gè)絕對(duì)靜止的參照系。但是由此一來(lái)，固態(tài)的以太則可能影響天體的自由運(yùn)動(dòng)，而橫向的振動(dòng)也很可能引起縱向的振動(dòng)。關(guān)鍵時(shí)刻還是需要實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)話，英國(guó)邁克爾遜和莫雷在1887年做了所謂的“以太漂移”實(shí)驗(yàn)。這是一個(gè)非常精巧的實(shí)驗(yàn)：如果地球是相對(duì)于絕對(duì)靜止的以太運(yùn)動(dòng)，那么若光線沿此運(yùn)動(dòng)方向傳播則是光速和地球運(yùn)動(dòng)速度的疊加，而沿著垂直該方向傳播的速度則要小一些。他們將一束光分成平行方向的透射光和垂直方向的反射光，通過(guò)測(cè)量?jī)墒庑纬傻母缮鏃l紋數(shù)目，可以精確地得到兩者的光程差，進(jìn)一步得到兩束光的速度差別。因此，只要將干涉儀沿著不同方向測(cè)量，就可以判斷地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的速度方向和大小。結(jié)果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向幾乎不變，換句話說(shuō)，以太是不存在的!人們開(kāi)始惶然不知所措。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)之前，瑞士某專利局的一名小職員就指出，如果放棄所謂絕對(duì)時(shí)間之類的概念，那么絕對(duì)靜止的參照系——以太的概念也可以扔掉。人們要接受光速不變?cè)?，那么就可以得到物體在接近光速情況下高速運(yùn)動(dòng)的物理、學(xué)，在那里運(yùn)動(dòng)的鐘會(huì)變慢，運(yùn)動(dòng)的尺子會(huì)縮短。這個(gè)新物理學(xué)叫相對(duì)論，那位叫愛(ài)因斯坦的小職員作為20世紀(jì)最為卓越的物理學(xué)家開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代物理新世界。

波動(dòng)說(shuō)的煩惱還不僅僅在于找不到“以太”這個(gè)載體，更可怕的烏云一朵接一朵地飄來(lái)。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)還有另一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)用紫外線照射兩個(gè)金屬球時(shí)，電火花似乎更易出來(lái)，即光對(duì)金屬的照射可以產(chǎn)生電子。這就是光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦后來(lái)對(duì)其做出了解釋，他認(rèn)為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子將吸收其能量并逃逸出來(lái)。光的微粒說(shuō)再次浮出水面!愛(ài)因斯坦把光的微粒叫做“光子”。光子的概念并不是他的原創(chuàng)，而來(lái)自于德國(guó)的普朗克對(duì)黑體輻射的解釋。普朗克通過(guò)引入一個(gè)新的概念——把光的能量分成不連續(xù)的許多份，每一份叫做能量的“量子”，通過(guò)統(tǒng)計(jì)能量量子的分布，就可以得到完全符合實(shí)驗(yàn)譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續(xù)的量子化，這在當(dāng)時(shí)絕大部分科學(xué)家心目中是不能接受的。普朗克也因?yàn)橐肽芰苛孔佣闹胁话?，他甚至?nèi)疚地認(rèn)為不應(yīng)該對(duì)經(jīng)典的電磁理論提出質(zhì)疑，因?yàn)樗悄敲吹赝昝罒o(wú)瑕。只有年輕大膽的愛(ài)因斯坦，不僅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應(yīng)。新的微粒說(shuō)——光的量子說(shuō)由此誕生。

粒子就是波?

如果光具有量子化的粒子性，那么其他電磁波會(huì)如何?1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)x射線被電子散射后頻率會(huì)變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問(wèn)題是，那原先人們認(rèn)為是粒子的電子等會(huì)不會(huì)有波動(dòng)性呢?1927年，杰默爾和湯姆森先后證實(shí)了電子束的波動(dòng)性質(zhì)，隨后人們還發(fā)現(xiàn)氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質(zhì)。事實(shí)上，如果讓可見(jiàn)光、x射線、電子甚至中子穿過(guò)合適的物質(zhì)都可能發(fā)生衍射現(xiàn)象，即波強(qiáng)度存在增強(qiáng)和減弱的效應(yīng)，而“合適”的物質(zhì)，實(shí)際就是其間隙和射線的波長(zhǎng)相比擬——這正是波發(fā)生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波?既是粒子也是波?既不是粒子也不是波?徹底把大伙兒給搞糊涂了。

正是在粒子和波的一片混亂之中，物理學(xué)迎來(lái)了史上最偉大的一場(chǎng)革命一量子力學(xué)誕生了。早在1913年，玻爾就用量子化的能量概念成功解釋了原子的行星模型。1924年，法國(guó)的德布羅意提出了波粒二象性的概念，不只是光具有波粒二象性，幾乎所有微觀粒子或者電磁波都是如此，這么一來(lái)，粒子就是波，波就是粒子，兩者是同一物體上的兩種屬性而已。

到了今天，關(guān)于光的粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的論戰(zhàn)逐漸變成了遙遠(yuǎn)的傳說(shuō)，只在歷史的長(zhǎng)河上，留下了無(wú)數(shù)智者的身影，照耀著后人的前行。(文章代碼：101504)

[責(zé)任編輯]李軍