深度長文：解讀光的波粒二象性，光到底是什么？

在我們的固有認知里，物體要么是粒子，有明確的位置和速度，要么是波，就像水波那樣干涉和衍射，不可能既是粒子又是波。

但是，科學家們發現，在微觀世界里，光和其他微觀粒子，既有粒子的性質，也有波的性質，這就是所謂的“波粒二象性”。

雖然人類很早就開始了對光的探索，但真正意義上的科學探索始于兩位科學家的爭論，牛頓和胡克。

胡克，被稱為“英國達芬奇”，他發現了胡克定律，也就是“彈簧的彈力于形變量成正比”。同時，他還利用自制望遠鏡觀察到月球上的環形山和木星衛星，還繪制出了第一張火星地圖。

在光學上，胡克利用顯微鏡發現了細胞，觀察到了光的干涉現象。

根據自己的觀察，胡克提出了光是一種波，就像水波那樣，一種在介質中傳播的機械波。

除了胡克之外，惠更斯也提出了波動說，兩人一起把波動說推到了頂峰。

不過，牛頓的出現改變了這一切。

牛頓在23歲就親手磨制出了反射式天文望遠鏡，極大提升了觀測精度，大大提升了他在當時科學界的地位。

在磨制天文望遠鏡的過程中，牛頓還意外發現了一種光學現象：牛頓環。

牛頓環的原理與肥皂泡的干涉一樣，都是光的薄膜干涉。簡單來講是這樣的：如果一束光照射到平凸透鏡與平面鏡之間的空氣薄膜上，光就會早薄膜的上下表面反射，兩束反射光疊加，然后形成明暗相間的同心圓環。

之前胡克和惠更斯等人只是觀察到了光的干涉現象，但牛頓憑借扎實的數學背景，計算出了光的波長，精準調整鏡片的精度，極大提升了望遠鏡的成像質量。

但是，雖然牛頓明明發現了光的干涉現象，他還是提出了光的“粒子說”。

牛頓認為，光是由無數微小粒子組成，沿直線傳播，就像子彈那樣，可以反射和折射。

為何牛頓堅持粒子說？

有猜測是這樣的，當時的波動說無法解釋光的直線傳播，同時當時的牛頓和胡克有個人恩怨，胡克曾多次質疑牛頓的研究結果，兩人有恩怨，所以才選擇與胡克對立的粒子說。

憑借牛頓當時科學界的地位，讓粒子說取代了波動說，成為當時對光的主流認知。

時間來到1801年，英國天才物理學家托馬斯楊，做了一個顛覆性的實驗，打破了牛頓的“粒子說”，這個實驗就是著名的楊氏雙縫干涉實驗。

這個實驗的設計很精巧，是物理學上最經典的實驗之一。

實驗過程很簡單，點燃一個蠟燭，在蠟燭前放一張帶有針孔的紙，目的是獲取點光源，然后在紙前方放一張帶有兩條狹縫的紙，最后放一塊顯示屏。

如果光是粒子，光在穿過兩條狹縫后，會在顯示屏上形成兩條亮斑。但結果并非如此，顯示屏上顯示的是多條明暗相間的干涉條紋。

這種干涉現象就像兩道水波相互干涉，出現波峰和波谷一樣。

實驗結果很明顯，光是一種波，推翻了牛頓的粒子說。按照托馬斯楊應該因為這個實驗名垂前世才對，但事實并非如此。

因為當時的牛頓擁有無與倫比的地位，托馬斯楊遭受到了整個物理學界的嘲諷，他的論文根本沒有地方發表，只能自己聯系印刷廠印刷。

不過，雖然托馬斯楊的實驗結果被壓制了幾十年，但就像一顆種子一樣默默成長。

時間來到1818年，物理學界又誕生了另個一事件：泊松亮斑。

什么是泊松亮斑？

物理學家泊松發現，如果在光的傳播路徑上放一塊不透明的圓板，由于光在圓板邊緣的衍射，在距離圓板一定距離的地方，圓板陰影的中央，應該會出現了一個亮斑！

這在當時的物理學界無法理解，陰影的中央怎么可能會出現亮斑？

另一位物理學家菲涅爾，精心設計了一個實驗，在不透明圓板的陰影中央，真的出現了一個亮斑，這個亮斑后來就被命名為“泊松亮斑”。

泊松亮斑，是光波動性的有力證據。

之后，越來越多的科學家開始接受光的波動性，牛頓的粒子說逐漸被淡化。

雖然波動說取得了重大勝利，但更大的問題隨之而來：如果光是一種波，到底是一種什么波？

在當時的普遍認知里，波都需要有介質，比如說水波的介質是水，聲波的介質是聲音，那么光傳播的介質又是什么？

為了尋找光的傳播介質，以太假說就來了。

以太，在當時被認為是宇宙中絕對靜止的參考系，所有物體的運動，都相對于以太而言。

波動說的支持者認為，光的傳播介質就是以太，是在以太介質中傳播的機械波。

但是，以太只是一個假設的概念，科學需要驗證其是否真的存在。

注明的邁克爾遜莫雷實驗，就是為了驗證以太是否存在的實驗，利用光的干涉，測量地球在以太中的運動速度。

按照以太假說，地球圍繞太陽公轉時，肯定會相對以太運動。那么，光在不同方向上的速度，肯定是不同的。

但實驗結果表明，不管光在哪個方向傳播，測量到的速度都是一樣的。

很顯然，這樣的結果直接否定的以太的存在，這讓當時的物理學界感到非常困惑，無論怎樣都不承認實驗結果，連邁克爾遜和莫雷本人都不愿承認，認為肯定是實驗過程有瑕疵導致的。

直到另一偉大物理學家出現，才讓我們對光的本質更進一步，他就是麥克斯韋。

麥克斯韋的偉大，離不開同樣偉大的法拉第。

法拉第發現了電磁感應現象，提出了“場”的概念，認為電場和磁場都是客觀存在的物質，它們的傳播不需要任何介質，就可以在真空中傳播。

不過，法拉第只能提出場的概念，并沒有通過數學公式將其具體描述出來。而麥克斯韋正好彌補了法拉第的遺憾，通過嚴謹的數學公式推導，最終得出了堪稱完美的方程，著名的麥克斯韋方程組。

該方程組的偉大之處就在于，完美地把電場和磁場統一起來，證明了電磁和磁場是相互聯系相互轉換的。變化的電磁會產生磁場，而變化的磁場也會產生電場，如此循環往復，形成電磁波。

麥克斯韋通過計算發現，電磁波的傳播速度，與光速相等。

于是麥克斯韋大膽預言，光，其實就是電磁波。

這個預言，徹底解決了光的傳播介質問題，表明光的傳播不需要任何介質，就可以在真空中傳播，依靠的正是電場和磁場的相互轉化。

光是電磁波的結論，徹底顛覆了之前的以太假說。

稍有遺憾的是，偉大的麥克斯韋并沒有見證自己預言的驗證，驗證光是電磁波的任務，落到了另一位物理學家的頭上，赫茲。

1888年，赫茲設計了一個簡單的實驗，一個發射電磁波的線圈，一個接收電磁波的線圈。當發射線圈通電時，會產生變化的磁場，進而產生變化的電場，形成電磁波。接受線圈則會感應到電磁波，產生電流。

赫茲的實驗，驗證的麥克斯韋的預言，還測量出了電磁波的傳播速度，與光速完全相同。這個結果徹底證實了光是一種電磁波，光的本質之爭，似乎可以畫上句號了。

但是，別慌，一個轉折又來了。

在實驗過程中，赫茲還發現了一個奇怪現象：光電效應。

什么是光電效應？

簡單講，當一束光照射到金屬表面時，金屬表面會逸出電子（當時電子并沒有被發現，赫茲稱之為“負電粒子”），使得金屬表面帶正電。這個看似簡單的現象，與當時的波動說完全矛盾。

按照當時的波動說，光的能量是連續的，與光的強度成正比，光的強度越大，能量就越大。那么，只要光的強度足夠大或者照射時間足夠長，不管光的頻率高低，都會讓金屬表面逸出電子。

但實驗結果并非如此。

赫茲的助手勒納德在后續的實驗中，總結出了光電效應的三條規律。

1.單位時間內逸出的電子數量，與入射光的強度成正比。

2.金屬都有一個“極限頻率”，只有入射光的頻率高于這個極限頻率時，才會產生光電效應。如果入射光的頻率低于這個極限頻率，不管光的強大多大照射時間多長，都不會逸出電子。

3.電子的最大動能，與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關。

以上三條規律，徹底推翻了波動說。當時的赫茲也看到了這些，但并沒有給出解釋。

光電效應一直困擾著物理學家，直到1905年，愛因斯坦的出現，才徹底解決了這個難題。

當時的愛因斯坦受到普朗克光量子假說的啟發，大膽提出，光不僅是一種電磁波，也是一個個離散的“光量子”（后來稱為“光子”），每個光子的能量，遵循E=hν的規律，只與光的頻率有關，與光的強度無關。

光量子假說，完美解釋了光電效應，更重要的是，這個假說重新引入了“粒子”的概念，打破了“光要么是波，要么是粒子”的固有認知，表明“光既是粒子也是波”！

這里需要明確一點，愛因斯坦提出的“光量子假說”，與牛頓的“光粒子說”有本質的區別。

牛頓認為的粒子，是一種經典粒子，有明確的位置和速度遵循經典力學的規律。

愛因斯坦的光量子假說，是量子化的粒子，沒有明確的位置和速度，遵循量子力學規律，同時還有波的特性，比如干涉和衍射。

不過愛因斯坦的假說，在當時遭到了很多質疑，畢竟，波動說已經被赫茲的實驗徹底證實，光同時具有波動性和粒子性，很難讓人接受。

不過，1916年物理學家通過著名的“油滴實驗”，驗證了愛因斯坦的光量子假說。

最終，光的波粒二象性概念，終于成型了，光具有波粒二象性，既可以表現出波的特性，也可以表現出粒子的特性。

但是，問題又來了，波粒二象性只有光才能表現出來嗎？其他微觀粒子比如電子，質子和中子，是否也有波粒二象性？

1924年，德布羅意提出了一個大膽的猜想，所有的微觀粒子都具有波粒二象性，這種波，就被稱為“德布羅意波”，或者“物質波”！

德布羅意發表的論文指出，物質波遵循一個簡單的公式，粒子的動量與物質波的波長成反比。

在當時來看，這個假說太具顛覆性了。當時的物理學認為，粒子和波是完全隊里的，粒子是離散的，而波是連續的，一個微觀粒子怎么可能“既是粒子又是波”？

不過，愛因斯坦非常鐘意德布羅意的假說，這讓該假說得到了物理學界的高度關注。

而正是受到了德布羅意假物質波的啟發，薛定諤在1926年提出了薛定諤波動方程，建立了量子力學的波動理論，薛定諤方程，量子力學的核心方程。

這個方程看起來比較復雜，也沒有必要具體理解，只需要明白，薛定諤方程在量子力學的地位，就像牛頓運動定律在經典力學的地位那樣。

雖然得到了愛因斯坦的認可，但德布羅意假說還是需要實驗來驗證。

這個驗證也很快到來。

1927年，物理學家戴維森和革末，完成了著名的“戴維森-革末實驗”，證明了電子也有波動性。

實驗很簡單，把電子束照射到鎳晶體的表面，電子會在晶體表面發生散射。如果電子具有波動性，那么散射后的電子，應該會形成衍射條紋。

實驗結果果然如德布羅意所預測的那樣：散射后的電子，在顯示屏上形成了明暗相間的衍射條紋。這個實驗，直接證明了電子具有波動性，德布羅意的物質波假說，終于得到了實驗驗證。

而德布羅意也因為提出物質波假說，獲得了1929年的諾貝爾物理學獎。

到這里，也差不多該結束了。

但很多小伙伴們肯定還會有疑問：你說了這么多，微觀粒子到底是粒子還是波？

其實，這個問題本身就是“問題”，本身就陷入了經典物理學的思維定式。

在量子世界里，粒子和波并不是完全對立的，而是統一的。微觀粒子既不是純粹的波，也不是單純的粒子。

微觀粒子的行為，取決于我們的觀測方式。

比如，在著名的雙縫干涉實驗中，當我們不觀測時，電子就會表現出波動性，出現干涉條紋。如果我們觀測，電子就會表現位粒子性，只會出現兩個亮斑。

這種“觀測影響結果”的現象，是量子力學的核心特性之一，也正是波粒二象性的本質——微觀粒子的行為，沒有絕對的“波”或“粒子”之分，它的表現，取決于我們如何觀測它。

這并不是說微觀粒子的本質是不確定的，而是說，微觀世界的規律，與我們宏觀世界的經驗，有著本質的區別。