光是波還是粒子

最早對光的本質發表科學見解的人是笛卡爾、胡克和惠更斯。他們認為光是一種波動，是以太的彈性振動。惠更斯把這一認識發展成比較系統的科學理論——波動說。用波動說可以解釋光的直線傳播、折射、反射和雙折射等許多光學現象，但不能說明為什么沒有看到光有干涉現象發生。干涉是所有波（例如水波，圖1）的共同特點，為何唯獨光看不到這種現象？另外，惠更斯認為光波是縱波，因此他的理論也不能解釋光學中的偏振現象。

牛頓在研究力學的同時，也對光的本質進行了思考。他認為光不是波動，而是微粒，提出光的微粒說。他把自己的理論寫成文章，投給《英國皇家學會會報》。學會的干事長胡克贊同光的波動說，他看了牛頓的文章后，認為牛頓在胡說八道。光怎么可能是微粒呢！光是波動，這個問題已經清楚了。于是他拒絕刊登牛頓的文章。牛頓一氣之下，從此再也不給皇家學會會報投稿。所以，牛頓一生發表的論文很少，他的主要研究成果都刊登在他的2本巨著《自然哲學之數學原理》（45歲時發表）和《光學》（65歲時發表）中。當然，還有一些牛頓的短文流傳于世，例如《論運動》等。不過這些文章實際上都取自牛頓與友人或同行的通信，而不是專門的科學論文。牛頓常常在信中長篇大論，議論自己的科學觀點和成果，后人便把這些內容一段段截取下來，作為短文刊登出來。

剛開始，光的波動說穩如泰山。因為當時的牛頓畢竟還是個小人物，比不上已經名聞學術界的笛卡爾、惠更斯和胡克。所以牛頓的微粒說影響不大。知道牛頓觀點的人不多，而且知道的人也不大相信。

有趣的是，牛頓在光學實驗中觀察到的“牛頓環”現象，實際上就是光的干涉現象，但牛頓沒有認識到這一點，仍然用光的微粒說解釋這一現象。波動說的擁護者也沒有抓住這一點來反擊微粒說。

后來，隨著牛頓在力學研究上的巨大成功，他光學方面的觀點也越來越被大家重視。大家想，牛頓這么偉大，他的力學理論這么完美，光學理論也肯定有道理。何況光的波動說無法說明為何看不到光的干涉現象，而微粒說沒有這個困難，微粒流當然不會有干涉現象。

這樣，光的微粒說就戰勝了波動說。在光究竟是波還是粒子的爭論中，微粒說贏得了第1個回合。

牛頓的微粒說統治了光學100多年，直到1801年情況發生了逆轉。那一年英國青年科學家托馬斯·楊完成了雙縫干涉實驗，證實了光不是微粒而是波。他發展了惠更斯的波動理論，進一步指出，光波與聲波不同，聲波是縱波，而光波是橫波，從而解釋了光波的偏振現象。

英國人托馬斯·楊（ThomasYoung）是歷史上有名的神童、才子，2歲就能讀書，4歲時將《圣經》通讀了2遍。他l4歲時已通曉拉丁語、希臘語、法語、意大利語、希伯來語、波斯語和阿拉伯語等多種語言，還會演奏多種樂器。他在物理、化學、生物、醫學、天文、哲學、語言、考古等領域都有貢獻。托馬斯·楊先當醫生，研究視覺，發現了眼睛散光的原因，轉而研究光學，完成了光的雙縫干涉實驗。他認識到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。此后他又破譯了埃及的拉希德石碑上的一些文字，對考古學作出了重大貢獻。

考慮到牛頓在學術界和英國人民心中的神圣地位，托馬斯·楊在闡述自己的光學工作時小心翼翼，他說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認為他是百無一失的，我……遺憾地看到他也會弄錯，而他的權威也許有時會阻礙科學的進步。”

盡管托馬斯·楊是個有名的神童，而且他在挑戰光的微粒說時小心謹慎，一再聲明他對偉大牛頓的敬仰，但還是遭到了抨擊。有人指責他的文章沒有任何價值，他的實驗根本稱不上是實驗，他的干涉理論“荒唐”而且“不合邏輯”。在一二十年間，托馬斯·楊的工作沒有人支持，他的論文很難發表。他不得不自費印了一些小冊子來傳播自己的成果，但仍幾乎無人理睬。

但是物理學是一門實驗的科學、測量的科學，事實勝于雄辯，經過十幾年的努力，學術界終于承認了光的波動說，摒棄了偉大牛頓提出的微粒說。這樣，在波動說與微粒說的斗爭中，波動說贏得了第2個回合。

麥克斯韋從小就好奇心很強，問題多得不得了，而且經常堅持自己的看法，很難說服他。麥克斯韋的父親對此很高興，他知道，強烈的興趣和求知欲，是孩子成才的最好動力。正如一位學者所說：“毅力，勤奮，入迷和忘我的出發點，實際上在于興趣。有了強烈的興趣，自然會入迷，入了迷自然會勤奮，有毅力，最終達到忘我。”

麥克斯韋l9歲進入劍橋大學學習，這是一所不斷涌現科學明星的大學，牛頓和達爾文都畢業于此。他在學校里顯現出很高的數學、物理才華，畢業后留校工作，致力于電磁學的研究。

29歲時，麥克斯韋拿著自己的論文貿然登門拜訪了年近七旬的法拉第，虛心向他求教。法拉第肯定了他是真正理解自己電磁學說的人。法拉第鼓勵他說：“你的論文是一篇出色的文章，但你不應局限于用數學來解釋我的見解，而應該突破他。”麥克斯韋大受鼓舞和啟發，決心自己也要像牛頓那樣，“站在巨人的肩上”去摘取新成果。不久之后，他就總結前人的眾多成果，如庫侖定律、安培定律、比奧 薩發定律、電磁感應定律等，進一步把法拉第的電力線、磁力線思想，用嚴密的數學發展成一套完備的電磁方程組，即今天的麥克斯韋電磁理論。這一成果，使麥克斯韋成為當時繼牛頓之后最偉大的物理學家。

麥克斯韋的理論是正確而偉大的。除去總結歸納了前人的成果外，麥克斯韋還提出了“電勢”和“磁勢”的概念。長期以來，人們認為只要用電場強度和磁場強度這2個概念，就足以描述電磁理論，電勢和磁勢可有可無，最多也就是在某些場合下用起來方便一些。不過，近年來規范場論的研究表明，電勢和磁勢還藏有電磁場強沒有包含的重要信息。

另外，麥克斯韋發現電磁場變化的波動，即電磁波，是以光速傳播的。他正確地認識到了光波就是電磁波，大大推動了光學的研究。

現在，人們看到了光波的本質。光不僅是“波動”，而且本質是一種電磁現象，是電磁波，從而進一步推進了光的波動說。