“光的本質”之爭

宋文廣

摘要：光是我們每個人“見的最多”和“用的最多”的東西。我們雖然每天都用得理所當然，但很少有人靜心去想想光的本質是什么，什么叫光。文章主要通過光學發展史上一些重要的事件和人物，向大家簡單介紹一下人類對于光的認識過程和光的本質之爭。

關鍵詞：光;光學;認識;本質

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0066-02

光自古以來被認為是宇宙最原始的事物之一，比如在西方的《圣經》中，神要創造世界，首先也要創造光，再比如大家日常生活耳熟能詳的神話故事中，往往也喜歡說“一道亮光劃過宇宙，于是有了世間萬物”。光在人們心中的地位無與倫比，世界各國都有相關的故事和傳說流傳，也有相關的神祇受到崇拜。光是我們每個人“見得最多”和“用得最多”的東西，可以想想：沒有光的世界將是什么樣？我們每天都享受著光帶來的恩賜，但光的本質是什么？什么是光？我們怎么看見光？這一切仔細想來確實很奇妙，光看得見但摸不著，感覺似乎憑空被創造，既覺得簡單又仔細想來很深奧，那么這一切到底是如何發生的呢？

一、光的早期認識和光學學科的建立

古希臘時代，人們猜想光是一種從眼睛里射出去的東西，人的眼睛是由女神阿芙洛蒂忒用火點燃的，當火元素噴出到達物體時，就所謂“看見”了物體，現在我們顯然覺得這種假設不對，比如這種觀點不能解釋在黑暗的環境里為什么睜開眼睛也看不到物體的事實。當時人們為了解決這些疑問和困難，又繼續引進很多其他更加復雜的假設，比如古希臘代表人物——著名哲學家柏拉圖，他把光分為三種，即人眼發出的光、物體發出的光和光源發出的光，認為視覺是這三種光綜合作用的結果，這種結論和假設現在想來不太符合科學極簡主義原則，顯然太過于復雜。

對光成像正確的認識直到公元1000年左右，科學家哈桑研究了光進入眼球后的折射效果和著名的小孔成像實驗（注：其實兩千四五百年前，中國的墨子和他的學生就做了小孔成像實驗，《墨經》中有記載許多光學現象，例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等），最終對光成像形成了正確的認識：我們之所以能看到物體，只是由于光從物體上反射進我們眼睛里的結果。哈桑的阿拉伯語的著作《光學全書》隨后被翻譯傳入西方，并被培根發揚光大，從而為現代光學的建立打下了基礎，于是人們開始紛紛研究光的各種傳播行為，如歐兒里得（Euclid，公元前約330—260）的《反射光學》研究了光的反射，托勒密、哈桑和開普勒分別對光的折射進行研究，斯涅耳在前人工作的基礎上1621年總結出光的折射定律，最終光的各種性質被法國“業余數學之王”費馬用最簡潔的語言——“光總是走最短路線”進行總結，從而光學作為一門物理學科終于被正式確立，也奠定了幾何光學的基礎。

就當人們感覺對光的各種傳播行為非常了解的時候，其實關于光有一個最基本的問題仍然沒有解決，那就是“光的本質是什么”。這個問題乍聽起來沒有那么困難去回答，但是后來我們發現對于這個問題的回答持續和爭論了幾百年，也帶動了物理學的發展。

二、光的本質是什么？

古希臘時代，人們把光看成是細小的粒子流，這種說法很符合當時的“元素說”，這也是最早的關于光的本質的“微粒說”，這種說法直觀看起來很有道理，可以解釋光的直線傳播、反射甚至折射，但也有一些問題不能解釋，比如：人們當時很難說清楚兩束光相遇，如果光是微粒，那么為什么不會發生碰撞而彈開，還比如光源點亮之前這些粒子隱藏于何處、粒子的數量是多少等。

黑暗的中世紀過去之后，人們對自然界的探索更進一步，波動現象被深入地了解和研究，并進一步深入人心，如認為聲音是一種波動等。1665年，意大利數學家格里馬第做了一個實驗，他讓一束光通過兩個小孔后發現投影的邊緣有一種明暗條紋，他馬上聯想起水波的衍射圖樣，猜想光可能和水波相似，光可能是一種波，如果光是波的話，很容易解釋條紋存在，這是最早的關于光的本質的“波動說”。但是“波動說”有一個基本的難題：當時人們認識的波是需要介質傳播的，但是光好像不需要任何介質就可以傳播，如星光可以穿過太空來到地球被人眼所看到，這對“波動說”顯然非常不利，然而“波動說”很巧妙地擺脫了這個難題，假設了一種所謂的“以太”介質來實現光的傳播。在這種假設中“波動說”正式登上歷史舞臺，命中注定要和“微粒說”展開一場長達數個世紀的戰爭。

三、關于光的本質的“波粒大戰”

開始由于“波動說”和“微粒說”雙方力量都比較薄弱，并且都能解釋一些實驗現象，雙方都擁有自己的陣地，起初并沒有發生沖突。

導致歷史上“第一次波粒戰爭”的導火索是關于物體顏色屬性之爭。1663年，波義耳提出一個理論：物體的顏色不是物體的本身屬性，而是光照上去才產生的效果，并且記錄了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋，此后胡克重做了相關實驗，判斷光必定是某種快速的脈沖，并且在他1665年出版的《顯微術》中明確支持“波動說”，由于這位權威大將的加入，“波動說”似乎一時占了上風。1672年初，一位叫牛頓的年輕人因為制造出一臺杰出的望遠鏡而當選皇家學會的會員，當時牛頓只有29歲，雄心勃勃，意氣風發，正準備在光學和儀器方面大展拳腳，1672年提交了一篇論文《光和色的新理論》，其內容是關于他的三棱鏡色散實驗，認為白色光是由七色光混合而成，在其中的理論部分牛頓認為光的復合和分解是不同顏色微粒的混合和分開，《光和色的新理論》一文遭到以胡克為主席的皇家學會評議委員會的一致批評，胡克作為當時光學和儀器方面的權威給牛頓來了一個下馬威，牛頓勃然大怒，花了四個月時間寫了一篇洋洋灑灑的文章進行駁斥，從而胡克大言不慚在前，牛頓惡語相譏在后，不可避免地成為終身死敵。雖然之前微粒只有牛頓的一個假設，牛頓也沒有完全否定“波動說”，但隨著胡克和牛頓兩人的關系進一步惡化，牛頓開始一邊倒地支持“微粒說”，導致歷史上第一次“波動說”和“微粒說”沖突的開始。

隨后荷蘭科學家惠更斯登上歷史舞臺，他繼承了胡克的“光是一種在以太里傳播的縱波”的思想，并引入了波前的概念，成功地證明了光的反射和折射定律，解釋了光的衍射、雙折射，甚至可以解釋1675年牛頓發現的“牛頓環”，特別是1690年惠更斯的偉大著作《光論》的出版，標志“波動說”達到興盛的頂點。

但是“波動說”的得勢注定要成為泡沫，1704年（胡克死后第二年）牛頓劃時代的輝煌巨著《光學》出版，書中駁斥了波動理論，詳盡地闡述了光的色彩疊合和分散，以力學體系作為強大后盾，從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環和衍射實驗的種種現象，提出了波動理論無法解釋的問題，至于粒子方面的難題，牛頓也用自己的天才加以解決。由于當時的牛頓已經成為科學史上神話般的人物，而波動大軍無人應戰，因此“第一次波粒大戰”以波動的慘敗而結束，波動被迫轉為地下，整整一個世紀抬不起頭。

轉眼一個世紀又過去了，當人們差不多都忘記了“波動說”的時候，一個英國男孩的誕生改變了這一切，1807年托馬斯·楊總結出版了《自然哲學講義》，其中綜合整理了光學方面的工作，并且第一次描述了他那個名揚四海的實驗——楊氏雙縫干涉，點燃了“第二次波粒大戰”的導火索。

隨后，1821年菲涅爾發表了《關于偏振光線的相互作用》，用橫波理論成功地解釋了光的偏振現象，從而攻克了波動學說最難征服的據點，導致了“微粒說”在偏振問題上的失守。1850年傅科準確地得出光在真空中的速度之后，又進行了水中測量，發現光在水中傳播速度小于真空中的速度，此結果徹底宣判“微粒說”的死刑（注：“微粒說”認為水中傳播速度大于真空中的速度）。

然而“波動說”有個甩不掉的尾巴——“以太”，當然這個困惑也沒有持續太久，勝利時刻也即將來臨，偉大的科學家麥克斯韋分別于1856年、1861年和1865年發表了三篇關于電磁理論的論文，電磁理論預言：光是電磁波的一種，1887年，赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋的預言。

至此，關于光的本質的爭論似乎畫上一個圓滿的句號，光的波動本質似乎成為一個板上釘釘的事實，但是事實并非如此，1905年愛因斯坦在光電效應實驗基礎上提出“光量子”觀點，并且發表論文《關于光的產生和轉化的一個推測性觀點》，表明光仍具有“粒子性”的一面。

關于“光的本質”之爭持續大約三百年，這也許是物理史上持續時間最長和程度最激烈的一場論戰，它貫穿光學發展的全過程，雖然過程驚心動魄和跌宕起伏，但它使整個物理學發生翻天覆地的變化，促進了整個光學乃至物理學的發展。

參考文獻：

[1]曹天元，上帝擲骰子嗎：量子物理史話[M].沈陽：遼寧教育出版社，2008.

[2]Anton Zeilinger，Nature，2000，（408）：639.

[3]Tegmark and Wheeler，Scientific American Feb 2001：68.