光本质之争论——波粒二象性

托马斯·杨于1801年进行了一次光的干涉实验，即著名的杨氏双孔干涉实验，并首次肯定了光的波动性。随后在他的论文中以干涉原理为基础，建立了新的波动理论，并成功解释了牛顿环，精确测定了波长。1803年，杨把干涉原理用以解释衍射现象。1807年，杨发表了《自然哲学与机械学讲义》，书中综合整理了他在光学方面的理论与实验方面的研究，并描述了双缝干涉实验，后来的历史证明，这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列。但是他认为光是在以太媒质中传播的纵波。这与光的偏振现象产生了矛盾，然而杨并未放弃光的波动说。杨的著作点燃了革命的导火索，光的波动说在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不好过，在微粒说仍然一统天下的年代，杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”。在近20年间竟然无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。

1818年菲涅耳在巴黎科学院举行的一次以解释衍射现象为内容的科学竞赛中以光的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理论并获得优胜。早于1817年在面对波动说与光的偏振现象的矛盾时，杨觉察到如果光是横波或许问题可以得到解决，并把这一想法写信告诉了阿拉果，阿拉果立即把这一思想转告给了菲涅耳。于是当时已独自领悟到这一点的菲涅耳立即用这一假设解释了偏振现象，证明了光的横波特性，使得光的波动说进入一个新的时期。

随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来，但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出。菲涅耳在研究以太时发现，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后法国科学家泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。为了解决各种问题，1839年法国数学家柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质，试图以此解决泊松提出的困难。

英国物理学家麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位。这种理论预见后来得到了实验的证实。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书，具有划时代的意义。1887年，德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。赫兹在实验中同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。

德国物理学家普朗克早期从事热力学的研究，他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说。他引进了一个物理普适常数，即普朗克常数，以符号h表示，其数值为6.626176×10-27尔格·秒，是微观现象量子特性的表征。他从理论上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，称为普朗克公式。量子假说的提出对现代物理学，特别是量子论的发展起了重大的作用。普朗克在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射，使人们认识到电磁波是某种粒子，既光量子。为了强调光的粒子属性，光量子被称之为“光子”。光子的质量在运动中显示出来。

但电磁学存在着巨大缺陷，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中的光速不同。光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家——爱因斯坦的出现。德国科学家爱因斯坦坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。

但是，根据麦克斯韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，而且波也不可能处于静止状态，也就是说，宇宙中不可能存在光在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探索和研究，1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，引起了物理学基本概念的重大变革，开创了物理学的新世纪；提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性，用分子运动论解决布朗运动问题；发现了质能之间的相当性，在理论上为原子能的释放和应用开辟道路。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美地结合在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。

光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，它是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学，是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。我们的现代文明，从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。

不论是在生活中还是科学研究过程中，我们都应该用辩证法的观点来看待问题，善于应用联系的观点去分析解决问题。不畏强势，坚持真理固然好，但在棋逢对手之时，应该学会倾听，善于倾听也是一种美德，世界上的万事万物都不是完美的，科学理论亦是如此，倘若从不同的角度分析思考，会得出不同的正确结论之时，我们应该想到可能是两种理论的巧妙结合，此时不应当固执己见。

转自：“国家纳米科学中心”微信公众号

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