光的波粒二象性的認識及啟示

岑沐陽

（廣西師范大學附屬中學 廣西·桂林 541213）

太陽光一直伴隨著世界萬物的生長，在光的支持下才有了五彩斑斕的顏色。隨著人們對光的研究越來越深入，從17世紀起光的波動說與微粒說之爭開始，直到20世紀初波粒二象性的提出得以告終。通過對光的性質的學習，可以發現光沿直線傳播以及光的反射與折射等性質，此類高中知識看似掌握了光的基本理念，但也只是九牛一毛。波粒二象性的研究離不開每一位物理學家的支持，無論是惠更斯和牛頓的理論，還是愛因斯坦的光電效應方程，都為波粒二象性的研究提供了諸多支持。

1 微粒說與波動說

光是我們生活中常見的物質，也被認為是最小的物質之一，雖然其具有特殊性質，但通過對光本質特性的探索具有重要意義。通過對科學發展史的研究可以發現，物理學始終圍繞著物質是波還是粒子而展開。

（1）笛卡兒──兩點假說。人們在研究光學的性質過程中，光的本性問題以及光的顏色問題成了物理學家重點研究內容。笛卡爾為了驗證光的性質，提出兩種假說，其一認為光由微粒構成，其二，以太媒受到的壓力會產生光。笛卡爾的兩種假說更強調光與媒介之間的關系，但也正是這兩種假說的提出，為微粒說與波動說之爭奠定了基石。

（2）格里馬第──光的衍射。格里馬第為了驗證光的衍射，開展了兩個有關于光的實驗。其一，在暗室中放置在屏幕，將光通過小孔，使其照射在屏幕上，最終實驗結果可以顯示光線在屏幕上變寬。隨后進行第二個試驗，首先放置兩個小孔，并在暗室中放屏幕，光照射小孔放在屏幕上，可以發現明暗條紋的實驗現象。他認為此種圖像與水紋圖像大致相同，進而得出結論：光屬于流體，能夠進行波浪式運動，而光的不同顏色則是波動頻率所致。這是格里馬第提出的光的衍射概念，也是最早提出波動學說的物理學家[1]。

（3）胡克──光是以太的一種縱向波。胡克則發現格里馬第實驗的不足后，再次進行實驗，將光透過肥皂泡沫，耳后觀察光產生的顏色，并提出：光屬于縱向波的一種。而光的顏色與波的頻率緊密相關。

（4）牛頓──光的顏色理論。在十七世紀中旬，牛頓提出了光的色散實驗，實驗內容為：讓光通過小孔，并照射在暗室中的棱鏡上，棱鏡對面墻壁會出現彩色光譜。并得出光在復合和分解過程中是由不同顏色微粒為混合與分離而組成，進而得出不同的顏色[2]。牛頓在論文中闡述了光的顏色理論及微粒說。將光的顏色來源，以及光是由微粒組成的，在論文中闡述出來。也正是在牛頓論文發表后，光是由波組成還是粒子組成之爭開始，并開展了漫長爭論。

（5）惠更斯──波動學說完整理論。惠更斯認為光屬于機械波，其傳播方式主要由物質載體縱向傳播而來，而物質載體則是以太，波面上出現的個點則是媒質震動而引起。也這是在這一理論加持下，惠更斯提出了光的反射與折射定律，解釋了雙折射現象以及牛頓環實驗。同時，惠更斯也聯合生活實例解釋了光的波動學說，反駁了粒子說，光如果是粒子，那么諸多粒子之間會形成碰撞關系，那么光的傳播方向應該隨之改變，而不是一成不變。但實際并非如此。

（6）牛頓──微粒學說完善。牛頓通過對微粒學說的完善反駁了惠更斯假說，并用大量實驗來證明。首先如果光由波組成，那么它應該與波相同會繞過障礙物，也不會形成影子。其次，雙折射現象只是說明了光的不同性質，但無法解釋光波動的真正原因。同時牛頓將微粒學說與自然界相連接，并與質點力學相融合，為微粒學提供可靠依據。

（7）光的偏振現象與定律。在十九世紀初拉普拉斯在論證雙折線現象時應用了微粒說，并反駁了波動說。

隨后，光的偏振規律在馬呂斯實驗中被發現。進一步研究了光在折射過程中產生的現象，他發現光折射與偏振之間緊密相連。惠更斯曾提出光是縱波，但縱波并不會發生偏振，進而為反波動說提供了重要理論依據[3]。

1811年后布呂斯特研究光的偏振現象時總結了偏振現象定律，使得波動說難以解釋，物理學研究光則朝著微粒說方向進行。楊氏在此種形式下，再次深入分析光學原理，并有光是縱波假想向光是橫波轉移，隨之光的偏振現象得以被解釋，通過結合牛頓派的觀點，并建立了全新波動說理論，并告知阿拉戈。

（8）菲涅爾、阿拉戈──光波橫向傳播。菲涅爾在實驗中試圖驗證惠更斯波動說，但并未與楊氏取得聯系，也沒有了解楊氏衍射論文，他在自己的論文中提出了互相干涉作用，并表示其強度更為顯著。其理論與楊氏理論相反。阿拉戈隨后告知其楊氏提出的光是橫波概念，隨后菲涅爾以此為基礎開展實驗，并成功研究出有兩個平面鏡產生光源的光的干涉實驗，再次驗證了光的波動說。菲涅爾與阿拉戈開展實驗后，逐漸向波動說轉移。隨著菲涅爾實驗光的傳播方向后，他與阿拉戈共同制定了光的橫向傳播理論。

（9）新波動學說的創立。在19世紀末，夫瑯和費使用光柵研究了光的衍射現象[4]。隨后，在光波學基礎下，施維爾德利用光柵衍，對光的衍射現象進行成功解釋。微粒說再次被推翻，波動學說再次得到發展。隨之人們開始尋找光的載體，以太說重新建立，但在尋找過程中卻遇到重重挑戰，各類假說隨之提出。

菲涅爾認為橫向波的傳播介質是固體，并通過對以太的所發現，但是在此種情況下，以太固體性質則會影響天體的正常運轉。泊松隨后也發現這一現象，認為光如果存在橫向振動的情況，那么則會發生縱向振動，這與提出的理論相矛盾。柯西隨之提出第三種假想，認為以太是可壓縮的介質。斯托克斯為了驗證這一理論，利用瀝青性質開展類比，闡述物質既可以橫向振動也可以縱向運動，但不會干擾天體運動。波動說雖然在理論上取得了勝利，但波載體尋找的困難，預示著波動說存在問題。

（10）光的波粒二象性。在19世紀末期，光電效應被赫茲發現，這就再次闡述光的粒子性。20世紀初普朗克與愛因斯坦共同提出光的量子學說。在諸多科學家努力下，光最終以具有波動性和微粒性兩種特性而結束。

2 波粒二象性的提出

2.1 光的電磁理論

電磁波由麥克斯韋提出，認為光學性質與其相符，是范圍內的電磁波。隨后再次驗證生活中存在電磁波。同時其傳播速度通過實驗驗證發現與光的傳播速度相同。隨后又進行了一系列的電磁波實驗，發現電磁波會在固體表面上形成反射與光的反射定律相吻合，而電磁波在進行棱鏡實驗時其偏折規律與光的偏折規律相同。通過種種實驗發現電磁波的性質與光的性質相同，并再一次證實光的電磁波理論，推動了光的電磁波理論研究發展。

2.2 量子假說與波粒二象性

隨著實驗的研究與深入發現，光的電磁波說難以解決諸多問題，如黑體輻射、光電效應等等。隨后，能量子假說由普朗克提出，愛因斯坦在此理論支持下，闡述了光量子，科學解釋光電效應。實驗表明，光波是由具有能量的微粒組成的粒子流，也就是光子。而愛因斯坦不僅闡述了光的波動性，同時也闡述了光的粒子性，也就是波粒二象性[5]。

3 波粒二象性帶來的啟示

在對立統一的規律下，辯證唯物主義應運而生，理論表面認為任何事物都是兩面性，相互對立又相互統一。光的粒子性與波動性就相當于兩個對立的性質，但二者又存在著統一，也正是在辯證思想的引導下，波粒二象性得以證實。否定規律與辯證法相同，它認為事物在否定中有肯定，二者相互依存，光的本性從微粒說到光子說，從波動說到電磁說，最后統一經過幾百年的實驗與辨證，最終獲取到其真正含義[6]。

在研究光的本性時，物理學家之間產生了激烈的爭論，而這些爭論為物理學的發展提供了深遠影響。縱觀光學研究歷史，可以發現每一個物理學家都敢于向權威挑戰，而每一次挑戰都實現了光本質研究的飛躍，實現了物理性質的創新。

4 結束語

總而言之，通過對波粒二象性認知過程的研究可以發現，物理學家們具有獨特的物理思維，通過大量的實踐，最終得出了這一理論。這也就要求我們在當今社會中也要具備科學發展能力，創新自身思維模式，敢于質疑權威，不斷強化自身的科學素養。