光的波粒二象性的認識及啟示

岑沐陽

（廣西師范大學(xué)附屬中學(xué) 廣西·桂林 541213）

太陽光一直伴隨著世界萬物的生長，在光的支持下才有了五彩斑斕的顏色。隨著人們對光的研究越來越深入，從17世紀起光的波動說與微粒說之爭開始，直到20世紀初波粒二象性的提出得以告終。通過對光的性質(zhì)的學(xué)習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播以及光的反射與折射等性質(zhì)，此類高中知識看似掌握了光的基本理念，但也只是九牛一毛。波粒二象性的研究離不開每一位物理學(xué)家的支持，無論是惠更斯和牛頓的理論，還是愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，都為波粒二象性的研究提供了諸多支持。

1 微粒說與波動說

光是我們生活中常見的物質(zhì)，也被認為是最小的物質(zhì)之一，雖然其具有特殊性質(zhì)，但通過對光本質(zhì)特性的探索具有重要意義。通過對科學(xué)發(fā)展史的研究可以發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)始終圍繞著物質(zhì)是波還是粒子而展開。

（1）笛卡兒──兩點假說。人們在研究光學(xué)的性質(zhì)過程中，光的本性問題以及光的顏色問題成了物理學(xué)家重點研究內(nèi)容。笛卡爾為了驗證光的性質(zhì)，提出兩種假說，其一認為光由微粒構(gòu)成，其二，以太媒受到的壓力會產(chǎn)生光。笛卡爾的兩種假說更強調(diào)光與媒介之間的關(guān)系，但也正是這兩種假說的提出，為微粒說與波動說之爭奠定了基石。

（2）格里馬第──光的衍射。格里馬第為了驗證光的衍射，開展了兩個有關(guān)于光的實驗。其一，在暗室中放置在屏幕，將光通過小孔，使其照射在屏幕上，最終實驗結(jié)果可以顯示光線在屏幕上變寬。隨后進行第二個試驗，首先放置兩個小孔，并在暗室中放屏幕，光照射小孔放在屏幕上，可以發(fā)現(xiàn)明暗條紋的實驗現(xiàn)象。他認為此種圖像與水紋圖像大致相同，進而得出結(jié)論：光屬于流體，能夠進行波浪式運動，而光的不同顏色則是波動頻率所致。這是格里馬第提出的光的衍射概念，也是最早提出波動學(xué)說的物理學(xué)家[1]。

（3）胡克──光是以太的一種縱向波。胡克則發(fā)現(xiàn)格里馬第實驗的不足后，再次進行實驗，將光透過肥皂泡沫，耳后觀察光產(chǎn)生的顏色，并提出：光屬于縱向波的一種。而光的顏色與波的頻率緊密相關(guān)。

（4）牛頓──光的顏色理論。在十七世紀中旬，牛頓提出了光的色散實驗，實驗內(nèi)容為：讓光通過小孔，并照射在暗室中的棱鏡上，棱鏡對面墻壁會出現(xiàn)彩色光譜。并得出光在復(fù)合和分解過程中是由不同顏色微粒為混合與分離而組成，進而得出不同的顏色[2]。牛頓在論文中闡述了光的顏色理論及微粒說。將光的顏色來源，以及光是由微粒組成的，在論文中闡述出來。也正是在牛頓論文發(fā)表后，光是由波組成還是粒子組成之爭開始，并開展了漫長爭論。

（5）惠更斯──波動學(xué)說完整理論。惠更斯認為光屬于機械波，其傳播方式主要由物質(zhì)載體縱向傳播而來，而物質(zhì)載體則是以太，波面上出現(xiàn)的個點則是媒質(zhì)震動而引起。也這是在這一理論加持下，惠更斯提出了光的反射與折射定律，解釋了雙折射現(xiàn)象以及牛頓環(huán)實驗。同時，惠更斯也聯(lián)合生活實例解釋了光的波動學(xué)說，反駁了粒子說，光如果是粒子，那么諸多粒子之間會形成碰撞關(guān)系，那么光的傳播方向應(yīng)該隨之改變，而不是一成不變。但實際并非如此。

（6）牛頓──微粒學(xué)說完善。牛頓通過對微粒學(xué)說的完善反駁了惠更斯假說，并用大量實驗來證明。首先如果光由波組成，那么它應(yīng)該與波相同會繞過障礙物，也不會形成影子。其次，雙折射現(xiàn)象只是說明了光的不同性質(zhì)，但無法解釋光波動的真正原因。同時牛頓將微粒學(xué)說與自然界相連接，并與質(zhì)點力學(xué)相融合，為微粒學(xué)提供可靠依據(jù)。

（7）光的偏振現(xiàn)象與定律。在十九世紀初拉普拉斯在論證雙折線現(xiàn)象時應(yīng)用了微粒說，并反駁了波動說。

隨后，光的偏振規(guī)律在馬呂斯實驗中被發(fā)現(xiàn)。進一步研究了光在折射過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)光折射與偏振之間緊密相連。惠更斯曾提出光是縱波，但縱波并不會發(fā)生偏振，進而為反波動說提供了重要理論依據(jù)[3]。

1811年后布呂斯特研究光的偏振現(xiàn)象時總結(jié)了偏振現(xiàn)象定律，使得波動說難以解釋，物理學(xué)研究光則朝著微粒說方向進行。楊氏在此種形式下，再次深入分析光學(xué)原理，并有光是縱波假想向光是橫波轉(zhuǎn)移，隨之光的偏振現(xiàn)象得以被解釋，通過結(jié)合牛頓派的觀點，并建立了全新波動說理論，并告知阿拉戈。

（8）菲涅爾、阿拉戈──光波橫向傳播。菲涅爾在實驗中試圖驗證惠更斯波動說，但并未與楊氏取得聯(lián)系，也沒有了解楊氏衍射論文，他在自己的論文中提出了互相干涉作用，并表示其強度更為顯著。其理論與楊氏理論相反。阿拉戈隨后告知其楊氏提出的光是橫波概念，隨后菲涅爾以此為基礎(chǔ)開展實驗，并成功研究出有兩個平面鏡產(chǎn)生光源的光的干涉實驗，再次驗證了光的波動說。菲涅爾與阿拉戈開展實驗后，逐漸向波動說轉(zhuǎn)移。隨著菲涅爾實驗光的傳播方向后，他與阿拉戈共同制定了光的橫向傳播理論。

（9）新波動學(xué)說的創(chuàng)立。在19世紀末，夫瑯和費使用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象[4]。隨后，在光波學(xué)基礎(chǔ)下，施維爾德利用光柵衍，對光的衍射現(xiàn)象進行成功解釋。微粒說再次被推翻，波動學(xué)說再次得到發(fā)展。隨之人們開始尋找光的載體，以太說重新建立，但在尋找過程中卻遇到重重挑戰(zhàn)，各類假說隨之提出。

菲涅爾認為橫向波的傳播介質(zhì)是固體，并通過對以太的所發(fā)現(xiàn)，但是在此種情況下，以太固體性質(zhì)則會影響天體的正常運轉(zhuǎn)。泊松隨后也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，認為光如果存在橫向振動的情況，那么則會發(fā)生縱向振動，這與提出的理論相矛盾。柯西隨之提出第三種假想，認為以太是可壓縮的介質(zhì)。斯托克斯為了驗證這一理論，利用瀝青性質(zhì)開展類比，闡述物質(zhì)既可以橫向振動也可以縱向運動，但不會干擾天體運動。波動說雖然在理論上取得了勝利，但波載體尋找的困難，預(yù)示著波動說存在問題。

（10）光的波粒二象性。在19世紀末期，光電效應(yīng)被赫茲發(fā)現(xiàn)，這就再次闡述光的粒子性。20世紀初普朗克與愛因斯坦共同提出光的量子學(xué)說。在諸多科學(xué)家努力下，光最終以具有波動性和微粒性兩種特性而結(jié)束。

2 波粒二象性的提出

2.1 光的電磁理論

電磁波由麥克斯韋提出，認為光學(xué)性質(zhì)與其相符，是范圍內(nèi)的電磁波。隨后再次驗證生活中存在電磁波。同時其傳播速度通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)與光的傳播速度相同。隨后又進行了一系列的電磁波實驗，發(fā)現(xiàn)電磁波會在固體表面上形成反射與光的反射定律相吻合，而電磁波在進行棱鏡實驗時其偏折規(guī)律與光的偏折規(guī)律相同。通過種種實驗發(fā)現(xiàn)電磁波的性質(zhì)與光的性質(zhì)相同，并再一次證實光的電磁波理論，推動了光的電磁波理論研究發(fā)展。

2.2 量子假說與波粒二象性

隨著實驗的研究與深入發(fā)現(xiàn)，光的電磁波說難以解決諸多問題，如黑體輻射、光電效應(yīng)等等。隨后，能量子假說由普朗克提出，愛因斯坦在此理論支持下，闡述了光量子，科學(xué)解釋光電效應(yīng)。實驗表明，光波是由具有能量的微粒組成的粒子流，也就是光子。而愛因斯坦不僅闡述了光的波動性，同時也闡述了光的粒子性，也就是波粒二象性[5]。

3 波粒二象性帶來的啟示

在對立統(tǒng)一的規(guī)律下，辯證唯物主義應(yīng)運而生，理論表面認為任何事物都是兩面性，相互對立又相互統(tǒng)一。光的粒子性與波動性就相當于兩個對立的性質(zhì)，但二者又存在著統(tǒng)一，也正是在辯證思想的引導(dǎo)下，波粒二象性得以證實。否定規(guī)律與辯證法相同，它認為事物在否定中有肯定，二者相互依存，光的本性從微粒說到光子說，從波動說到電磁說，最后統(tǒng)一經(jīng)過幾百年的實驗與辨證，最終獲取到其真正含義[6]。

在研究光的本性時，物理學(xué)家之間產(chǎn)生了激烈的爭論，而這些爭論為物理學(xué)的發(fā)展提供了深遠影響。縱觀光學(xué)研究歷史，可以發(fā)現(xiàn)每一個物理學(xué)家都敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，而每一次挑戰(zhàn)都實現(xiàn)了光本質(zhì)研究的飛躍，實現(xiàn)了物理性質(zhì)的創(chuàng)新。

4 結(jié)束語

總而言之，通過對波粒二象性認知過程的研究可以發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家們具有獨特的物理思維，通過大量的實踐，最終得出了這一理論。這也就要求我們在當今社會中也要具備科學(xué)發(fā)展能力，創(chuàng)新自身思維模式，敢于質(zhì)疑權(quán)威，不斷強化自身的科學(xué)素養(yǎng)。