打我們襁褓中睜開雙眼感受這個(gè)光明的世界開始，我們就再也離不開“光”這個(gè)神奇的東西。它真的很神奇，它既不是固體、液體，也不是氣體，既不能捧之把玩，也不能食之果腹，古往今來，人們對(duì)“光”更是一種莫名的敬仰，如光榮、光明、風(fēng)光、春光……等等一大波類似的詞語都是對(duì)人或物的極盡贊揚(yáng)。而玩家們對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的追求，不也可看作是一個(gè)追光的過程嗎？

對(duì)于絕大多數(shù)人來說，對(duì)于光的認(rèn)識(shí)應(yīng)該是非常非常貧乏的，比如曬太陽為什么覺得熱？光如何引起我們的視覺？為什么光有各種顏色？光是物質(zhì)嗎？等這些問題能答上來應(yīng)該沒幾個(gè)，其實(shí)，光的本性困擾著古往今來的所有物理學(xué)家，科學(xué)家們對(duì)光的認(rèn)識(shí)也是歷經(jīng)曲折。

科學(xué)家們對(duì)光的認(rèn)識(shí)：粒子還是波？

關(guān)于光的第一個(gè)系統(tǒng)的理論是惠更斯1690年的《光論》，惠更斯認(rèn)為光是一種光源發(fā)出的機(jī)械波。不久之后，牛頓在1704年發(fā)表《光學(xué)》提出一個(gè)截然不同的理論，此時(shí)距離他提出萬有引力定律、建立整個(gè)經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)足足過去17年。牛頓力學(xué)仍是今天大部分物理學(xué)的基礎(chǔ)，但牛頓的光學(xué)體系早就已經(jīng)支離破碎，可見對(duì)光的認(rèn)識(shí)有多么困難。牛頓認(rèn)為光是從光源發(fā)出的高速直線運(yùn)動(dòng)的彈性微粒流，這些粒子就像小彈珠一樣，不同的彈珠有不同的顏色，它們攜帶能量，所以不斷照射可以生熱。

牛頓與惠更斯的粒波之爭(zhēng)

不過牛頓的理論幾乎沒有任何證據(jù)，他最有力的證據(jù)是他是英國(guó)皇家科學(xué)院院長(zhǎng)。但是科學(xué)從不迷信權(quán)威，后來的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光具有和水波非常相似的性質(zhì)，惠更斯的波動(dòng)說風(fēng)靡一時(shí)。然而，牛頓畢竟還是牛頓，他提出的微粒說沉寂了201年后，在1905年又被愛因斯坦拿出來成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。沒錯(cuò)，愛因斯坦不是因?yàn)橄鄬?duì)論，而是因?yàn)楣獾奈⒘Ｕf獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！牛頓的棺材板是不是要壓不住了？?jī)砂倌昵拔揖驼f過的東西，你們還搞不懂。

概括起來，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了幾個(gè)這樣幾個(gè)階段：

1. 惠更斯和牛頓相繼提出兩種理論，都沒有足夠的證據(jù)，由于牛頓是院長(zhǎng)，微粒說占據(jù)主流；（牛頓發(fā)現(xiàn)的三棱鏡色散現(xiàn)象，證明了白光由七種單色光組成，用這兩種理論都解釋得通。）

色散的微粒解釋

色散的波動(dòng)解釋

2. 直到1801年一個(gè)叫楊的人做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明了光是一種波，波動(dòng)說又占據(jù)上風(fēng)；（這是后面重點(diǎn)要講的）

3. 1864年麥克斯韋方程組橫空出世，預(yù)言了光是一種電磁波，雖然不同于惠更斯所說的機(jī)械波，但波動(dòng)說的地位更加難以動(dòng)搖；

電磁波

4. 1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，但無法用波動(dòng)說解釋，1905年愛因斯坦又提出光子說，用量子的觀點(diǎn)解釋了光電效應(yīng)；（光電效應(yīng)：用光照一塊金屬板，金屬板中的電子會(huì)被打出來，這種電子稱為光電子。下圖金屬板連在驗(yàn)電器上，就可以檢測(cè)出跑出來的電子的數(shù)量。）

光電效應(yīng)

5. 1923年德布羅意提出物質(zhì)波，認(rèn)為所有物質(zhì)都對(duì)應(yīng)著一種波，標(biāo)志著“波粒二象性”概念的建立，光既是粒子也是波。

探索光的本質(zhì)

接下來我們就隨著歷史上物理學(xué)家的步伐，探索一下光是什么。

要想深入了解光的本質(zhì)，先要弄清楚波到底是個(gè)什么玩意。生活中我們經(jīng)常會(huì)看到波，比如水波、甩動(dòng)繩子的一股股波，像這樣：

水波

繩子中的波

這些波都是機(jī)械波，它們?cè)诮橘|(zhì)中傳播，比如水要依賴一個(gè)個(gè)水分子來傳遞這種振蕩，繩子的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)扯動(dòng)它附近的繩子以傳播波；最開始光的波動(dòng)說也認(rèn)為光是一種機(jī)械波，在“以太”中傳播，而麥克斯韋預(yù)言光是一種電磁波，是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交替變化在傳播，不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。1887年邁克爾遜和莫雷證明了宇宙中不存在“以太”這種東西，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言（沒錯(cuò)，也就是在這一年，光電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)說無法解釋）。

但無論是機(jī)械波還是電磁波，既然都叫做波，必然有一種共性，那就是波的本質(zhì)——干涉疊加。想象繩子中有兩列傳播方向相反的波，就會(huì)是這樣：

波的疊加

紅色和藍(lán)色代表兩列單獨(dú)的波，把它們的幅度代數(shù)相加，黑色則是繩子實(shí)際的振動(dòng)情況。這樣兩列或多列獨(dú)立的波在空間上相遇時(shí)產(chǎn)生的疊加，我們就叫干涉。

在介紹那個(gè)叫楊的人的實(shí)驗(yàn)之前，還要了解波的另一個(gè)特性，就是衍射。衍射就是波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。生活中最常見的就是水波的衍射，水波經(jīng)過一個(gè)縫之后，就會(huì)是這個(gè)樣子：

寬縫衍射

狹縫衍射

縫的寬度越窄，衍射作用就越明顯。

是不是平時(shí)如果窗戶開了一條很小的縫就會(huì)很吵，把窗戶關(guān)死就立刻安靜下來了？這完全是因?yàn)槁暡ㄑ苌涞慕Y(jié)果。聲波的波長(zhǎng)一般在零點(diǎn)幾米到十幾米左右，門縫的寬度就算一厘米，相比波長(zhǎng)是非常小了，所以衍射效果很明顯。我們的收音機(jī)、手機(jī)信號(hào)也都需要通過衍射來傳到我們手機(jī)，如果你在一個(gè)密閉或者偏僻的角落信號(hào)就會(huì)很差了。

但是，光的波長(zhǎng)在幾百納米，波長(zhǎng)非常小，所以門縫什么的對(duì)它來說都太寬了，所以我們一般說光沿直線傳播，就是認(rèn)為它沒有衍射作用。1801年，托馬斯·楊巧妙設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓一束相干光經(jīng)過兩個(gè)很小很小的狹縫，如果光是波，就應(yīng)該會(huì)像水波一樣干涉：

水波干涉

而如果光是粒子，則應(yīng)該會(huì)像子彈槍一樣（一個(gè)子彈槍掃射，如果只開1孔，墻上的子彈分布應(yīng)該會(huì)像P1一樣，2孔亦然，如果兩個(gè)孔都打開，毫無疑問墻上的子彈分布就是P=P1+P2）：

事實(shí)是，光像水波一樣。楊氏雙縫干涉的結(jié)果是這樣的：

楊氏雙縫干涉

光通過雙縫后沒有照亮整個(gè)屏幕，而是出現(xiàn)明暗相間的條紋。這充分說明了光是波，而不是粒子！托馬斯·楊說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威有時(shí)甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步?！睅资旰?，麥克斯韋的方程組告訴我們，光是一種電磁波，它是由于變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)以在真空中傳播，徹底解釋了光的波動(dòng)性的物理基礎(chǔ)。

看起來，光是一種波已經(jīng)無可爭(zhēng)議了。但很快風(fēng)云突變，赫茲的光電效應(yīng)無法用麥克斯韋的方程解釋。光電效應(yīng)的詭異現(xiàn)象在于：如果增大入射光的強(qiáng)度，跑出來的光電子的速度并不會(huì)增大，僅僅是數(shù)目變多，看起來，每個(gè)電子都有自己的配額，注入能量越多，獲益的電子越多，但每個(gè)電子不會(huì)獲得更多的能量。波動(dòng)說無法解釋這一現(xiàn)象，物理學(xué)再次陷入了困境。

1905年的愛因斯坦，26歲（孩子都兩歲大了），連發(fā)5篇論文，3月份用一篇論文解決光電效應(yīng)并因此或諾獎(jiǎng)，4月份用另一篇論文取得博士學(xué)位，5月一篇論文創(chuàng)立狹義相對(duì)論。開了掛吧？光電效應(yīng)的解釋是，光是一種粒子（光子），每個(gè)光子都具有一個(gè)特定的能量值，這個(gè)值只和這個(gè)光子的頻率有關(guān)（光子哪來頻率？？其實(shí)是說的這個(gè)光子對(duì)應(yīng)的電磁波的頻率，這就為日后的波粒二象性埋下了伏筆）。

光電效應(yīng)中每個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，所以當(dāng)增大光強(qiáng)時(shí)實(shí)際上是增加了光里面的光子數(shù)目，所以被打出來的光電子就變多了，但每個(gè)光電子獲得的能量還是一樣的，速度不會(huì)增加；如果改變?nèi)肷涔獾念l率，相當(dāng)于改變了每個(gè)光子的能量，頻率越高光子能量越大，如果光子的能量太?。l率低于那個(gè)閾值），就不能激發(fā)光電子，光電效應(yīng)就沒有了，這也符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。所以我們平時(shí)看到的火焰，藍(lán)色的光子頻率高，溫度也就高，紅色黃色的就不行了，燒菜都要用藍(lán)色外焰燒哦~

看起來，波動(dòng)說和粒子說公說公有理婆說婆有理，有時(shí)候粒子說解決不了的問題就用波動(dòng)說解釋，波動(dòng)說解釋不了的粒子說湊數(shù)。還可以這樣的嗎？

20世紀(jì)以前的物理學(xué)家，有研究力學(xué)的、熱學(xué)的、電學(xué)的、光學(xué)的，而20世紀(jì)的物理學(xué)家，全部都是研究量子力學(xué)的。1927年第五次索維爾會(huì)議合影（下圖），相信很多童鞋都知道這是最天才的一張照片，29人中有17人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（當(dāng)然，居里夫人還獲得了化學(xué)獎(jiǎng)）。索維爾會(huì)議，就是召集全天下最聰明的科學(xué)家來討論量子力學(xué)，因?yàn)闆]有一個(gè)人能搞明白量子力學(xué)。

1927年索維爾會(huì)議，科學(xué)界的超豪華陣容

量子力學(xué)的產(chǎn)生，就從1900年普朗克提出量子假說、1905年愛因斯坦引入光子開始。1923年德布羅意說：任何一個(gè)物體都對(duì)應(yīng)一種波，每個(gè)物體都有波粒二象性。我們先來看看1961年的電子干涉實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被《Physics World》評(píng)為物理學(xué)史上最美的實(shí)驗(yàn)。它美就美在用電子做出了跟楊氏干涉完全一樣的結(jié)果（像之前的子彈槍一樣，這次用電子槍掃射）：

電子干涉

這說明，電子也像光一樣，可以表現(xiàn)出跟乒乓球不一樣、而跟水波一樣的干涉疊加的性質(zhì)。這證明了德布羅意的說法，我們有理由因此相信任何物體都具有波動(dòng)性。什么？那子彈槍那個(gè)實(shí)驗(yàn)為什么沒有波動(dòng)性？實(shí)際上，根據(jù)德布羅意給出的計(jì)算公式，對(duì)于子彈來說，波長(zhǎng)是如此之短，以至于干涉圖案變得非常細(xì)密，細(xì)密到人們用任何探測(cè)器都無法分辨，我們所看到的子彈的分布只是干涉的一種平均（下圖右）。

各位童鞋一定承認(rèn)我說得好像很有道理，但還是不太相信，所有物質(zhì)都對(duì)應(yīng)一種波？啥意思？德布羅意自己也搞不清楚。1926年馬克思·玻恩提出統(tǒng)計(jì)詮釋，認(rèn)為這種波是一種概率波，即粒子出現(xiàn)在空間某一位置的概率，所以大量電子或光子可以體現(xiàn)出波動(dòng)性，他們出現(xiàn)在不同位置的概率有的位置大有的位置小，就表現(xiàn)出了干涉的圖樣。

后來，人們可以控制光子一個(gè)一個(gè)地發(fā)射，每個(gè)光子通過雙縫后，都會(huì)打在接受屏的某一個(gè)位置，這是妥妥的粒子性。但每次同樣地發(fā)出一個(gè)光子，光子最終到達(dá)的位置是不一樣的，如果一個(gè)一個(gè)發(fā)射很多很多的光子，他們就會(huì)按照概率的統(tǒng)計(jì)分布在屏幕上，形成干涉圖樣（單光子干涉）。少量光子往往體現(xiàn)粒子性，而大量光子則體現(xiàn)波動(dòng)性。

光是物質(zhì)，它攜帶有能量，是波也是粒子

等等等等生活中的光學(xué)現(xiàn)象，只要從粒子性和波動(dòng)性兩個(gè)角度考慮一下，沒有什么解釋不了的呢。故事也聽了，知識(shí)也學(xué)了，自己能說清光是什么了嗎？來來來，劃重點(diǎn)，1801年的楊氏干涉說明光是波，1905年愛因斯坦光電效應(yīng)說明光是光子，1961年電子干涉實(shí)驗(yàn)證明一切物質(zhì)都既是波也是粒子，叫做波粒二象性。

現(xiàn)在明白光是什么了吧？現(xiàn)在想想開頭提出的問題。為什么曬太陽會(huì)熱？因?yàn)楣庾訑y帶能量，也因?yàn)殡姶挪▊鬏斈芰?。光如何引起我們的視覺？因?yàn)橛泄庾哟蛟谖覀兊囊暰W(wǎng)膜上，也因?yàn)殡姶艌?chǎng)的振蕩引起視神經(jīng)的反應(yīng)。光為什么有各種顏色？因?yàn)椴煌l率的光子攜帶的能量不一樣，電磁場(chǎng)的振蕩速度也不一樣，引起視神經(jīng)不同的感覺。光是物質(zhì)嗎？是的，光具有能量和動(dòng)量，當(dāng)它照在靶上時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力，稱為光壓，小編將來的研究方向就是光壓驅(qū)動(dòng)其它粒子加速哦。