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淺析光究竟是粒子還是波，在自然界一直有這個爭論，并且是已經(jīng)很久以前都有爭論了。今天咱們來一起探討吧，愿我們一起進步哦。

可見光的確切性質(zhì)是一個讓人類困惑了幾個世紀(jì)的謎團，許多科學(xué)家和哲學(xué)家都在努力回答以下問題：光是粒子還是波？

來自古代畢達哥拉斯學(xué)科的希臘科學(xué)家假定，每個可見物體都會發(fā)出穩(wěn)定的粒子流，而亞里士多德認(rèn)為光的傳播方式類似于海洋中的波浪。即使這些想法在過去很多年經(jīng)歷了許多修改并發(fā)生了相當(dāng)程度的演變，但希臘哲學(xué)家所確立的爭端的本質(zhì)至今仍然存在。

光的理論：粒子還是波？

一種觀點認(rèn)為，光在本質(zhì)上是波狀的，產(chǎn)生的能量穿過空間，其方式類似于被落下的巖石擾動后，在一個靜止的池塘表面擴散的波紋。相反的觀點認(rèn)為，光是由穩(wěn)定的粒子流組成的，很像從花園的軟管噴嘴噴射出來的小水滴。

在過去的幾個世紀(jì)里，這種共識搖擺不定，一種觀點在一段時間內(nèi)占上風(fēng)，但又被另一種觀點的證據(jù)所。只有在20世紀(jì)的頭十年里，收集到足夠的令人信服的證據(jù)才能提供全面的答案，令每個人驚訝的是，兩種理論都證明是正確的，至少部分是正確的。

在十八世紀(jì)初期，關(guān)于光的性質(zhì)的爭論已經(jīng)將科學(xué)界變成了分裂的陣營，他們在他們最喜歡的理論的有效性上進行了激烈的斗爭。一群贊同波浪理論的科學(xué)家把他們的論點集中在荷蘭人克里斯蒂安惠更斯的發(fā)現(xiàn)上。對立的陣營引用艾薩克 牛頓爵士的棱鏡實驗來證明，光作為粒子的陣雨傳播，每個粒子都以直線前進，直到被折射、吸收、反射、衍射或以某種其他方式干擾為止。

雖然牛頓本人似乎對他的關(guān)于光的本質(zhì)的粒子理論有疑問，他在科學(xué)界的威望如此之重以至于他的提倡者在他們兇猛的戰(zhàn)斗中忽略了所有其他的證據(jù)。

惠更斯的光折射理論，基于光的波狀性質(zhì)的概念，認(rèn)為任何物質(zhì)中的光速與其折射率成反比。換句話說，惠更斯推測，光線被物質(zhì)“彎曲"或折射的越多，在穿過該物質(zhì)時它會移動得越慢。他的追隨者得出的結(jié)論是，如果光由粒子流組成，那么會出現(xiàn)相反的效果，因為進入密度較大的介質(zhì)的光將被介質(zhì)中的分子吸引，并且速度增加而不是減小。

盡管這個論點的解決方案是測量不同物質(zhì)，例如空氣和玻璃中的光速，但是該時期的裝置不能勝任。無論其通過的材料如何，光似乎都以相同的速度移動。超過150年過去了，光速可以用足夠高的準(zhǔn)確度來測量，證明惠更斯理論是正確的。

盡管艾薩克·牛頓爵士享有盛譽，但1700年代初期一些杰出的科學(xué)家并不同意他的粒子理論。一些人認(rèn)為，如果光線由粒子組成，那么當(dāng)兩束光線交叉時，一些粒子會相互碰撞而產(chǎn)生光束偏差。顯然，情況并非如此，所以他們得出結(jié)論，光不能由單個粒子組成。

光的波浪理論

惠更斯在他1690年的專著Traité de la Lumière中憑借自己的直覺提出，光波以以太為媒介穿過空間。以太是一種神秘的無重力物質(zhì)，作為一種無形的實體存在于整個空氣和空間。在十九世紀(jì)，尋找以太消耗了大量的資源，直到最后被終結(jié)。以太理論至少持續(xù)到19世紀(jì)晚期，查爾斯·惠特斯通提出的模型證明了以太通過垂直于光傳播方向的振動來傳播光波，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋詳細的模型描述了這種不可見物質(zhì)的構(gòu)造。

惠更斯認(rèn)為以太與光在同一個方向振動，并在它攜帶光波的時候形成了波。在后來的惠更斯原理一書中，他巧妙地描述了波上的每個點如何產(chǎn)生自己的小波，然后這些小波疊加在一起形成波前。惠更斯利用這個想法為折射現(xiàn)象提出了詳細的理論，也解釋了為什么光線在交叉路徑時不會相互碰撞。

當(dāng)一束光在兩種折射率不同的介質(zhì)之間傳播時，光束發(fā)生折射，并在從種介質(zhì)進入第二種介質(zhì)時改變方向。確定光束是由波或粒子，每個可以設(shè)計一個模型來解釋這一現(xiàn)象（圖3）。

根據(jù)惠更斯波理論，每個角度的波前的一小部分應(yīng)該影響第二介質(zhì)之前剩下的前面到達界面。當(dāng)波的其余部分仍然在介質(zhì)中傳播時，這部分將開始通過第二介質(zhì)，但由于第二介質(zhì)的高折射率，它將移動得更慢。因為波前現(xiàn)在以兩種不同的速度傳播，它會彎曲進入第二種介質(zhì)，從而改變傳播的角度。

相比之下，粒子理論很難解釋為什么光粒子從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時會改變方向。該理論的支持者認(rèn)為，當(dāng)粒子進入第二種介質(zhì)時，有一種垂直于界面的特殊力，作用于改變粒子的速度。這種力量的確切性質(zhì)還有待推測，也沒有收集到任何證據(jù)來證明這一理論。

兩種理論的另一個很好的比較涉及到當(dāng)光從光滑的鏡面反射（如反射鏡）時所發(fā)生的差異。波浪理論推測，光源發(fā)出的光波在所有方向上傳播。在撞擊鏡面時，波會根據(jù)到達角度反射，但是每個波都會反轉(zhuǎn)到前面以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)圖像（圖4）。到達波的形狀強烈依賴于光源離鏡子多遠。來自近光源的光仍然保持球面高度彎曲的波前，而從距離源發(fā)出的光線將更多地傳播，并以幾乎平面的波前影響反射鏡。

就反射現(xiàn)象而言，光的粒子性質(zhì)的情況比折射的情況要強得多。由光源發(fā)出的光，無論是接近還是遠，以粒子流的形式到達鏡面，其從光滑表面彈開或反射。因為粒子非常小，所以傳播的光束中有很大數(shù)量的粒子，它們并排地靠在一起。

在撞擊鏡面時，粒子會從不同的點反射回來，所以它們在光束中的順序在反射時會反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個反轉(zhuǎn)的圖像，如圖4所示。粒子和波浪理論都充分解釋了光滑表面的反射。然而，粒子理論還表明，如果表面非常粗糙，粒子會以各種角度反彈，散射光。這個理論非常符合實驗觀察。

當(dāng)粒子和波遇到物體的邊緣并形成陰影時，它們的行為也會有所不同（圖5）。牛頓很快在1704年出版的Opticks一書中指出，“光永遠不會沿著彎曲的通道前進，也不會彎曲到陰影中"。這個概念與粒子理論是一致的，它提出光粒子必須總是以直線行進。如果粒子遇到屏障的邊緣，那么它們將投射陰影，因為未被屏障阻擋的粒子以一條直線繼續(xù)，并且不能在邊緣后面散布。在宏觀尺度上，這一觀察結(jié)果幾乎是正確的，但它不符合從小得多的光衍射實驗獲得的結(jié)果。

當(dāng)光線穿過狹窄的狹縫時，光束擴散并變得比預(yù)期的寬。這一基本重要的觀察結(jié)果為光波理論帶來了大量的可信度。像水中的波浪一樣，遇到物體邊緣的光波似乎圍繞邊緣彎曲并進入其幾何陰影，這是一個不直接被光束照射的區(qū)域。這種行為類似于纏繞在木筏端部的水波，而不是反射。

在牛頓和惠更斯提出他們的理論近一百年后，一位名叫托馬斯·楊的英國物理學(xué)家進行了一項實驗，該實驗有力地支持了光的波狀性質(zhì)。由于相信光是由波構(gòu)成的，托馬斯·楊繼續(xù)推測說，兩束光波相遇時會產(chǎn)生某種相互作用。

為了驗證這一假設(shè)，他使用了一個包含單一窄縫的屏幕來產(chǎn)生來自普通陽光的相干光束(包含相位傳播的波)。當(dāng)太陽光線遇到狹縫時，它們展開或衍射，產(chǎn)生單一的波陣面。如果這可以照亮前面第二個屏幕有兩個緊挨著的縫，兩個額外的相干光的來源，與對方產(chǎn)生（見圖6）。光從每一個縫隙去一個點中間兩縫應(yīng)到達的步驟。

由此產(chǎn)生的波會相互加強，從而產(chǎn)生更大的波。然而，如果考慮中心點兩側(cè)的一個點，那么從一個狹縫發(fā)出的光必須傳播更遠才能到達中心點對面的另一個點。從狹縫靠近第二點處發(fā)出的光會比從遠處狹縫發(fā)出的光先到達，所以這兩種波會彼此不同步，可能會相互抵消，從而產(chǎn)生黑暗。

正如他所懷疑的那樣，楊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙M狹縫中的光波傳播（或衍射）時，它們相遇并重疊。在某些情況下，重疊使兩波同步。然而，在其他情況下，光波的結(jié)合或輕微或不同步彼此。

楊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些波同步相遇時，它們通過一個被稱為相干干涉的過程疊加在一起。不同步相遇的波將相互抵消，這種現(xiàn)象稱為抵消性干涉。在這兩個之間，發(fā)生不同程度的建設(shè)性和抵消性干涉，產(chǎn)生具有寬頻譜振幅的波。楊能夠在兩個狹縫后面設(shè)置一個固定距離的屏幕上觀察干擾的影響。經(jīng)過衍射后，通過干涉重新組合的光沿著屏幕產(chǎn)生一系列亮的和暗的條紋。

雖然看起來很重要，但楊的結(jié)論在當(dāng)時并沒有被廣泛接受，主要是因為人們對粒子理論的壓倒性信念。除了他對光干涉的觀察外，楊還假設(shè)不同顏色的光是由不同長度的波組成的，這是一個被廣泛接受的基本概念。相比之下，粒子理論的擁護者認(rèn)為，不同的顏色是由質(zhì)量不同或運動速度不同的粒子產(chǎn)生的。

干涉效應(yīng)不于光。在水池或池塘表面產(chǎn)生的波浪會向各個方向擴散，并發(fā)生相同的行為。當(dāng)兩個波同步相遇時，它們將通過相長干涉加在一起形成一個更大的波。不同步的碰撞波將通過抵消性干擾相互抵消，并在水面上產(chǎn)生一個水平的表面。

當(dāng)仔細檢查交叉偏振器之間的光束行為時，發(fā)現(xiàn)了光的波狀性質(zhì)的更多證據(jù)（圖7）。偏振濾光片具有的分子結(jié)構(gòu)，只允許具有單一方向的光通過。換句話說，偏振器可以被認(rèn)為是一種特殊類型的分子百葉窗，在偏振材料中有小排的單向板。如果允許一束光撞擊偏振器，則只有平行于偏振器方向的光線才能通過偏振器。如果第二個偏振器位于個偏振器的后面并朝向相同的方向，那么通過個偏振器的光也將通過第二個偏振器。

然而，如果第二個偏振器以一個小角度旋轉(zhuǎn)，通過的光量將會減少。當(dāng)?shù)诙€偏振器旋轉(zhuǎn)使其方向垂直于個偏振器方向時，通過個偏振器的光將不會通過第二個偏振器。這種效應(yīng)很容易用波動理論來解釋，但是粒子理論無法解釋光是如何被第二個偏振器阻擋的。事實上，粒子理論也不足以解釋干涉和衍射，這些效應(yīng)后來被發(fā)現(xiàn)是同一現(xiàn)象的表現(xiàn)。

用偏振光觀察到的效應(yīng)對于光由具有垂直于傳播方向分量的橫波組成這一概念的發(fā)展至關(guān)重要。每一個橫向組件必須有一個特定的方向，使它可以通過或被偏光器阻擋。只有那些與偏振濾波器平行的橫向分量的波會通過，而其他的波會被阻擋。

到了19世紀(jì)中葉，科學(xué)家們越來越相信光的波動特性，但仍有一個不容忽視的問題。到底什么是光？當(dāng)英國物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發(fā)現(xiàn)所有形式的電磁輻射都代表一個連續(xù)的光譜，并以相同的速度(每秒18.6萬英里)在真空中傳播時，這才取得了突破性的進展。麥克斯韋的發(fā)現(xiàn)有力地釘住了粒子理論的棺材，到20世紀(jì)初，似乎光和光學(xué)理論的基本問題終于得到了解答。

在19世紀(jì)80年代后期，波動理論受到了重大的打擊，當(dāng)時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，光可以從幾種金屬的原子中分離電子（圖8）。盡管起初只是一個奇怪的、無法解釋的現(xiàn)象，人們很快發(fā)現(xiàn)，紫外光可以使各種金屬中的電子原子釋放出正電荷。德國物理學(xué)家菲利普·勒納德對這些觀測結(jié)果產(chǎn)生了興趣，他稱之為光電效應(yīng)。勒納德用棱鏡將白光分解成不同顏色的光，然后有選擇地將每種顏色聚焦到金屬板上以排出電子。

勒納德的發(fā)現(xiàn)令他困惑和驚訝。對于特定波長的光（例如藍色），電子產(chǎn)生一個恒定的勢能，或固定的能量。減少或增加光的數(shù)量會相應(yīng)地增加或減少被釋放的電子的數(shù)量，但每種電子的能量仍然保持相同。換句話說，逃離原子鍵的電子的能量取決于光的波長，而不是光的強度。這與波浪理論的預(yù)期相反。勒納德還發(fā)現(xiàn)了波長和能量之間的聯(lián)系：波長越短的電子能量越大。

19世紀(jì)初，威廉·海德·沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜不是一個連續(xù)的光帶，而是包含了數(shù)百個缺失的波長，為光與原子之間的連接奠定了基礎(chǔ)。德國物理學(xué)家約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫繪制了超過500條對應(yīng)于缺失波長的窄線，他們將信件分配給了大的空白。后來發(fā)現(xiàn)，間隙是由太陽外層原子吸收特定波長而產(chǎn)生的。這些觀察是原子和光之間的一些最初聯(lián)系，盡管當(dāng)時還不了解其根本影響。
 

光的粒子理論

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦假設(shè)光實際上可能具有一些粒子特征，而不管大量的證據(jù)表明波浪性質(zhì)。在量子理論發(fā)展過程中，愛因斯坦數(shù)學(xué)表明，附著在金屬原子上的電子可以吸收特定數(shù)量的光（首先稱為量子，但后來變成光子），從而有能量逸出。他還推測，如果一個光子的能量與波長成反比，那么較短的波長將產(chǎn)生具有較高能量的電子，這個假設(shè)實際上源于勒納德的研究結(jié)果。

20世紀(jì)20年代，愛因斯坦的理論在美國物理學(xué)家阿瑟·康普頓的實驗中得到了鞏固，他證明光子具有動量，是支持物質(zhì)和能量可以互換的理論的必要條件。與此同時，法國科學(xué)家路易·維克多·德布羅意提出，所有物質(zhì)和輻射都具有類似于粒子和波的特性。按照馬克斯·普朗克的，德布羅意推斷愛因斯坦有關(guān)質(zhì)量和能量的公式，其中包括普朗克常數(shù)：

E = mc2 = hν

其中E是粒子的能量，m是質(zhì)量，c是光速，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率。德布羅意的工作將波的頻率與粒子的能量和質(zhì)量聯(lián)系起來，這對于一個新領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要，該領(lǐng)域終將被用于解釋光的波浪狀和粒子狀特征。
 

光的二元性：粒子和波

或者同時表現(xiàn)出粒子狀和波狀行為。量子力學(xué)誕生于愛因斯坦、普朗克、德布羅意、尼爾斯·玻爾、歐文 薛定諤等人的研究，他們試圖解釋電磁輻射如何顯示現(xiàn)在被稱為二元性的東西，或者既有顆粒狀又有波狀的行為。有時光的行為像一個粒子，在其他時候像一個波。

這種光理論和行為的互補或雙重作用可以用來描述實驗觀察到的所有已知特征，包括折射，反射，干涉和衍射，以及偏振光和光電效應(yīng)的結(jié)果。綜合起來，光的特性一起工作，讓我們觀察宇宙之美。
 

通過以上討論，現(xiàn)在有了大概的了解么？歡迎一起探討哦。