光是波还是粒的争论

当太阳的光辉把大地照亮，我们才能够欣赏五彩缤纷的世界，赞美千姿百态的大自然。没有光，人们将陷入可怕的、永恒的黑暗之中。因此，什么是光，长期以来就是人们非常关心的问题。为了获得对光的本性的认识，从17 世纪后半叶开始，经历了几百年的激烈争论。

科学巨匠牛顿也是光学大师，他在总结前人经验和自己实践的基础上，在 17 世纪末发表了科学史上第一部完整的光学著作——《光学》。他认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒组成的粒子流，这些光粒子进入人眼睛，冲击视网膜，就引起视觉。这就是光的微粒说。

牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。发光物体发出的光粒子都是沿直线高速运动的，所以光线必然沿直线前进。光粒子是弹性小球，遵循力学规律，碰到光滑界面会发生反弹，形成反射现象，就像力学中理想刚球被弹性表面弹回一样。

对于折射现象，牛顿认为，这是由于光粒子到达两种媒质界面的时候，受到媒质的垂直于界面方向的吸引，使得粒子垂直于界面方向的前进速度发生改变造成的。为了说明进入水中的光线折向法线，牛顿假设光在水中的速度大于在空气中的速度。牛顿的微粒说由于能够简单、通俗地解释光学现象，很快获得了人们的承认和支持。

但是，微粒说不是万能的。一些当时已知的光学现象，比如在空间交叉的几束光线能够互不干扰地独立前进；光线不是永远走直线，它可以绕过障碍物的边缘拐弯前进等，微粒说就无法解释。

为了解释这些现象，荷兰物理学家惠更斯提出和微粒说相对立的波动说。他把光和声波、水波相类比，认为光是一种机械波，由发光物体引起，依靠一种特殊的弹性媒质来传播。这一种学说，既解释了几束光线相遇不会发生干扰的现象，又解释了光的反射和折射现象。

在解释折射现象的时候，惠更斯同牛顿相反，他假设光在水中的速度小于在空气中的速度。

波动说的创立，打破了微粒说“一统天下”的局面，拉开了光究竟是粒子还是波动的激烈争论的战幕。

但是尽管波动说可以解释不少光学现象，由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色起源等问题，所以没有得到普遍支持。再说，受当时实验条件的限制，不能测出水中的光速，无法判断牛顿和惠更斯的假设谁对谁错。牛顿在学术界享有崇高的声望，他的拥护者又利用他的权威对波动说横加指责，全盘否定，以致波动说在很长时间里几乎销声匿迹，微粒说盛极一时，在光学界统治了近一个世纪。

进入 19 世纪以后，在以往争论中被微粒说压得奄奄一息的波动说，又活跃了起来。崭新的实验事实，接二连三地暴露了微粒说的无能和错误，而波动说却应付自如。

干涉现象是波的一种特性。两个或者两个以上具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的波，在空间相遇，在交叠区域中，有的地方振动加强，有的地方振动减弱，形成特殊的干涉花样。如果光是一种波，也一定会产生干涉现象。

为了证明这一点，杨氏在暗室里做了有名的干涉实验：取甲、乙、丙三

块光屏，甲屏中央有两个离得很近的小圆孔，把它们立在桌上，让太阳光通过甲屏小孔照射到乙屏的两个小孔上，丙屏上立刻出现了亮暗交替的彩色干涉条纹。丙屏上的条纹是乙屏的两个小孔射出的两束光发生干涉的结果。甲、乙屏的设置就是为了使乙屏两个小孔射出的光频率相同，相位差恒定。至于彩色的出现，是因为太阳光由各种颜色的光组成，各种色光形成的亮暗条纹的位置不同的缘故。杨氏实验的成功，证明了光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，微粒说就解释不了。

给微粒说沉重打击的第二个实验，是光的衍射实验。波在传播过程中可以绕过障碍物的现象叫做衍射现象，它也是波的基本特征之一。比如，把门窗打开一条小缝，室里各处都可以听到室外传来的声音；湖面上水波遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘传到后面去，这是声波和水波的衍射现象。光如果是一种波，它也一定会发生衍射现象。

在不透光的屏的中央，开一个孔径可以调整的圆孔，再在孔的后面放一个光屏，让光通过比较大的圆孔，就可以看到光沿着直线传播，在光屏上就得到一个亮度均匀的光斑。逐渐缩小圆孔的孔径，光斑也就随着减小。但是当圆孔直径缩小到 10 微米左右，光斑不但不跟着缩小，反而变大，光斑的亮度也不均匀，而是变成一系列明暗相间的圆环。这种光绕过小圆孔的边缘而向外扩展的现象，叫做光的衍射。在微粒说看来，光的衍射是不可理解的。给微粒说以致命打击的，是光速的精确测定。1850 年，傅科用高速旋转

镜的方法，精确地测出了光在水中的速度只有在空气中速度的 3/4，有力地证明了微粒说的错误和波动说的正确。

世纪 60 年代，麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，预言电磁波的存在。他还指出光也是一种电磁现象，光波是一种波长比较短的电磁波。这就是光的电磁说。到 80 年代，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并且证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。人们利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都做出了圆满的解释。光的电磁理论的建立，使波动说锦上添花。

正当波动说欢庆胜利的时候，意外的事情发生了。这就是否定了“以太” 的存在和发现了光电效应。

波动说认为，光是依靠充满于整个空间的连续媒质做弹性机械振动传播的。这种媒质，当时科学家给它起了个名字，叫做“以太”。为了验证“以太”是否存在，1887 年，美国物理学家迈克尔孙和美国化学家、物理学家莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验。结果证明，地球周围根本不存在什么“以太”。没有“以太”，光波或者电磁波又怎么传播呢？

面对这一个波动说难以克服的困难，微粒说倒是毫不费力的。因为按照微粒说，光粒子流从光源发出以后，可以在空间独来独往，不用依赖任何媒质。

光电效应的发现，波动说更无法解释。光电效应是物质在光的照射下，从表面释放出电子的现象。所释放的电子叫做光电子。比如，在验电器上安装一块擦得很亮的锌板，并且使它带负电，验电器的指针张开一个角度，然后用紫外线照射锌板，验电器的指针立刻合拢，表示锌板所带的负电荷已经释放出来。如果用可见光来照射，无论光多强，照射时间多长，都不可能使锌板释放出光电子。

这个现象，还有其他的一些现象，从波动说的观点来看，都是没法理解

的。因为按照波动理论，无论什么频率的光，只要强度很大，照射到金属板上，供给电子脱离金属板的能量，都应当有光电子飞出。

爱因斯坦独具慧眼，洞察光的本性，调停了这场旷日持久的论战。他创立的光量子理论，虽然复活了微粒说，但是没有抛弃波动说，而是把两者巧妙地综合在一起。

爱因斯坦辩证地指出：光——既是波又是微粒，是连续的又是不连续的，自然界喜欢矛盾⋯⋯这一思想充分体现在他的光量子理论的两个基本方程e=hv 和 p=h/λ中。h 是普朗克常数，e 和 P 分别是表示光的粒子特征的能量和动量，v 和λ分别是表示光的波动特征的频率和波长，通过 h，把粒子和波动联系在一起了。

当然，这里的微粒和波动，已经不是机械的微粒和机械的波动了。正是在这个新的意义上，对于光来说，波动和微粒是平起平坐、互为补充的。各种各样的光学现象，有的可以用波动来说明，有的必须用微粒来解释。光是波动性和粒子性的对立统一，具有波粒二象性。这就是到现在为止人们对光的本性的科学认识。