我們在生活中，可以觀察到兩種物理學特性——粒子性和波動性，不同的事物會觀察到不同的特性。粒子性指的是事物具有質量、動量等特征量，就像一只貓、一張桌子，它們只會出現在一個確切的位置。波動性指的是事物具有波峰、波谷、周期等特征量，比如聲波、水波，它們可以延伸到整個空間。

那么光呢？光是粒子還是波？這個問題困擾了人們數百年，引起了無數爭論。

惠更斯的波動說和牛頓的微粒說

最早的比較全面的關于光的理論是由荷蘭物理學家惠更斯提出的?；莞固岢隽恕耙蕴钡母拍?，認為光是以以太為介質進行傳播的一種波。后來，牛頓提出了他的光微粒說，認為光是由非常微妙的微粒組成。

惠更斯的波動說和牛頓的微粒說都能解釋一些現象，但是各自都有缺陷。由于牛頓在物理學中的影響力，他的微粒說占據了主導地位。

惠更斯

托馬斯·楊的實驗和麥克斯韋的研究

19世紀，英國的“全才”托馬斯·楊進行了著名的光的雙縫實驗。在這個實驗中，光源發(fā)出的光會經過擋板的兩條縫隙，再投射到接收板上。如果光是一種粒子的話，接收板上應該會出現兩個明亮的區(qū)域。但是實驗結果卻是在接收板上出現了明暗相間的條紋。這樣的實驗結果只能用波的理論來解釋。

光的雙縫實驗

同世紀，詹姆斯·麥克斯韋整合電磁學的理論，提出麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組預言電磁波的存在，根據麥克斯韋方程組計算出的電磁波的傳播速度與實驗測量的光速相等，于是麥克斯韋認為光是一種電磁波，電磁學和光學由此聯合形成統一理論。

至此，人們以為關于光的本質的研究基本塵埃落定：光是一種波，并且其本質是由電磁現象產生的電磁波。但事情并沒有這么簡單。

波動說解釋光的雙縫實驗

普朗克關于黑體輻射的研究

19世紀末，物理學家們在研究黑體輻射時遇到了困難。黑體就是不反射任何光線的物體，在黑體達到一定溫度時，會向外輻射出光，這個現象稱為黑體輻射。物理學家發(fā)現黑體輻射的光波頻譜無法用經典的理論加以解釋。德國物理學家普朗克首次提出“量子”的概念，假設黑體輻射的能量并不連續(xù)，而是一份份地傳播，有一個最小的能量單位——能量子。這樣的假設可以很好的解決黑體輻射的頻譜問題?！傲孔印钡奶岢?，是量子力學的開端。普朗克也因為他發(fā)現能量量子而獲得了諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦與光電效應

光電效應是指，光照射到金屬表面會使金屬激發(fā)出電子。但是并不是所有的光都能使金屬激發(fā)出電子。物理學家們發(fā)現能否激發(fā)電子，與光的頻率有關，而與光的強度無關，這與經典的“光波動說”相矛盾。愛因斯坦為了解決這一問題，把普朗克的量子假說應用于光電效應。他認為光不是連續(xù)的，而是一份份地傳播，有一個最小的傳播單位，光量子的能量與頻率成正比。這樣的假設可以很好地解釋光電效應。愛因斯坦推廣了普朗克的“量子”思想，同樣為量子力學的發(fā)展奠定了基礎。愛因斯坦也因這項成就獲得了諾貝爾物理學獎。至此，人們已經認識到光有時候會展現波動性，有時候會展現粒子性——即光的波粒二象性。

德布羅意物質波

法國物理學家德布羅意在他的博士論文中提出了物質波，認為不只是光，所有的物質都同時具有粒子性和波動性。三年后，喬治·湯姆孫以電子為對象，完成了電子的雙縫干涉實驗，證實了電子也具有波的性質。從此，物理學家們普遍認為所有的物質都具有波粒二象性。德布羅意也因為他的這個天才的想法和對量子力學的貢獻，而獲得了諾貝爾物理學獎。

物質波

單個粒子的雙縫干涉實驗

但是你可能對以上解釋不能滿意，因為上述實驗都可以解釋為：光和物質本質都是粒子，只是一大堆物質在通過縫隙的時候“相互碰撞”，而使整體呈現波的特性，就像一堆水分子相互影響形成水波。

對此，科學家設計了一個實驗：把光源強度調整到很低，每次只有一個光子可以從光源發(fā)出，當光子打到感光片上，再發(fā)出下一個光子，這樣就排除了“相互碰撞而使整體呈現波的特性”的可能。實驗結果是，每一次感光片都只會出現一個亮點，而且位置是隨機的，當進行很多次以后，亮點的分布會非常有規(guī)律，它們看起來就是明暗相間的條紋——楊氏雙縫實驗的結果。

單個光子的雙縫實驗結果

科學家的解釋是，單個光子在通過縫隙的時候會呈現波動性，同時穿過兩條縫隙，自己與自己發(fā)生干涉，打在感光片上時，則呈現粒子性（只出現在一個地方）。

后來物理學家又用了電子、中子、質子，甚至是體積非常大的分子來進行同樣的實驗，都得到了同樣的結果。由此證明物質具有波粒二象性。

單個電子的雙縫實驗結果