打我們襁褓中睜開雙眼感受這個光明的世界開始,，我們就再也離不開“光”這個神奇的東西,。它真的很神奇，它既不是固體,、液體,，也不是氣體,，既不能捧之把玩，也不能食之果腹,，古往今來,，人們對“光”更是一種莫名的敬仰，如光榮,、光明,、風(fēng)光、春光……等等一大波類似的詞語都是對人或物的極盡贊揚(yáng),。而玩家們對于計(jì)算機(jī)性能的追求,，不也可看作是一個追光的過程嗎？

對于絕大多數(shù)人來說,，對于光的認(rèn)識應(yīng)該是非常非常貧乏的，比如曬太陽為什么覺得熱,？光如何引起我們的視覺,？為什么光有各種顏色？光是物質(zhì)嗎,？等這些問題能答上來應(yīng)該沒幾個,，其實(shí)，光的本性困擾著古往今來的所有物理學(xué)家,，科學(xué)家們對光的認(rèn)識也是歷經(jīng)曲折,。

科學(xué)家們對光的認(rèn)識：粒子還是波？

關(guān)于光的第一個系統(tǒng)的理論是惠更斯1690年的《光論》,，惠更斯認(rèn)為光是一種光源發(fā)出的機(jī)械波,。不久之后，牛頓在1704年發(fā)表《光學(xué)》提出一個截然不同的理論,，此時距離他提出萬有引力定律,、建立整個經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)足足過去17年。牛頓力學(xué)仍是今天大部分物理學(xué)的基礎(chǔ),，但牛頓的光學(xué)體系早就已經(jīng)支離破碎,，可見對光的認(rèn)識有多么困難。牛頓認(rèn)為光是從光源發(fā)出的高速直線運(yùn)動的彈性微粒流,，這些粒子就像小彈珠一樣,，不同的彈珠有不同的顏色，它們攜帶能量,，所以不斷照射可以生熱,。

牛頓與惠更斯的粒波之爭

不過牛頓的理論幾乎沒有任何證據(jù),，他最有力的證據(jù)是他是英國皇家科學(xué)院院長,。但是科學(xué)從不迷信權(quán)威,，后來的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光具有和水波非常相似的性質(zhì)，惠更斯的波動說風(fēng)靡一時,。然而,，牛頓畢竟還是牛頓，他提出的微粒說沉寂了201年后,，在1905年又被愛因斯坦拿出來成功解釋了光電效應(yīng),，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。沒錯,，愛因斯坦不是因?yàn)橄鄬φ?，而是因?yàn)楣獾奈⒘Ｕf獲得諾貝爾物理學(xué)獎！牛頓的棺材板是不是要壓不住了,？兩百年前我就說過的東西,，你們還搞不懂。

概括起來,，人們對光的認(rèn)識經(jīng)歷了幾個這樣幾個階段：

1. 惠更斯和牛頓相繼提出兩種理論,，都沒有足夠的證據(jù)，由于牛頓是院長,，微粒說占據(jù)主流,；（牛頓發(fā)現(xiàn)的三棱鏡色散現(xiàn)象，證明了白光由七種單色光組成,，用這兩種理論都解釋得通。）

色散的微粒解釋

色散的波動解釋

2. 直到1801年一個叫楊的人做了一個實(shí)驗(yàn)，證明了光是一種波,，波動說又占據(jù)上風(fēng),；（這是后面重點(diǎn)要講的）

3. 1864年麥克斯韋方程組橫空出世，預(yù)言了光是一種電磁波,，雖然不同于惠更斯所說的機(jī)械波,，但波動說的地位更加難以動搖；

電磁波

4. 1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng),，但無法用波動說解釋，1905年愛因斯坦又提出光子說,，用量子的觀點(diǎn)解釋了光電效應(yīng),；（光電效應(yīng)：用光照一塊金屬板，金屬板中的電子會被打出來,，這種電子稱為光電子,。下圖金屬板連在驗(yàn)電器上,，就可以檢測出跑出來的電子的數(shù)量。）

光電效應(yīng)

5. 1923年德布羅意提出物質(zhì)波,，認(rèn)為所有物質(zhì)都對應(yīng)著一種波，標(biāo)志著“波粒二象性”概念的建立,，光既是粒子也是波,。

探索光的本質(zhì)

接下來我們就隨著歷史上物理學(xué)家的步伐，探索一下光是什么,。

要想深入了解光的本質(zhì),，先要弄清楚波到底是個什么玩意。生活中我們經(jīng)常會看到波,，比如水波,、甩動繩子的一股股波，像這樣：

水波

繩子中的波

這些波都是機(jī)械波，它們在介質(zhì)中傳播,，比如水要依賴一個個水分子來傳遞這種振蕩,，繩子的每個質(zhì)點(diǎn)扯動它附近的繩子以傳播波；最開始光的波動說也認(rèn)為光是一種機(jī)械波,，在“以太”中傳播,，而麥克斯韋預(yù)言光是一種電磁波，是電場和磁場的交替變化在傳播,，不需要介質(zhì),，可以在真空中傳播。1887年邁克爾遜和莫雷證明了宇宙中不存在“以太”這種東西,，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言（沒錯,，也就是在這一年，光電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn),，波動說無法解釋）,。

但無論是機(jī)械波還是電磁波，既然都叫做波,，必然有一種共性,，那就是波的本質(zhì)——干涉疊加。想象繩子中有兩列傳播方向相反的波,，就會是這樣：

波的疊加

紅色和藍(lán)色代表兩列單獨(dú)的波，把它們的幅度代數(shù)相加，黑色則是繩子實(shí)際的振動情況,。這樣兩列或多列獨(dú)立的波在空間上相遇時產(chǎn)生的疊加,，我們就叫干涉。

在介紹那個叫楊的人的實(shí)驗(yàn)之前,，還要了解波的另一個特性,，就是衍射。衍射就是波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象,。生活中最常見的就是水波的衍射,，水波經(jīng)過一個縫之后，就會是這個樣子：

寬縫衍射

狹縫衍射

縫的寬度越窄，衍射作用就越明顯,。

是不是平時如果窗戶開了一條很小的縫就會很吵，把窗戶關(guān)死就立刻安靜下來了,？這完全是因?yàn)槁暡ㄑ苌涞慕Y(jié)果,。聲波的波長一般在零點(diǎn)幾米到十幾米左右，門縫的寬度就算一厘米,，相比波長是非常小了,，所以衍射效果很明顯。我們的收音機(jī),、手機(jī)信號也都需要通過衍射來傳到我們手機(jī),，如果你在一個密閉或者偏僻的角落信號就會很差了。

但是,，光的波長在幾百納米，波長非常小,，所以門縫什么的對它來說都太寬了，所以我們一般說光沿直線傳播,，就是認(rèn)為它沒有衍射作用,。1801年，托馬斯·楊巧妙設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn),，讓一束相干光經(jīng)過兩個很小很小的狹縫,，如果光是波，就應(yīng)該會像水波一樣干涉：

水波干涉

而如果光是粒子,，則應(yīng)該會像子彈槍一樣（一個子彈槍掃射，如果只開1孔，墻上的子彈分布應(yīng)該會像P1一樣,，2孔亦然,，如果兩個孔都打開，毫無疑問墻上的子彈分布就是P=P1+P2）：

事實(shí)是,，光像水波一樣。楊氏雙縫干涉的結(jié)果是這樣的：

楊氏雙縫干涉

光通過雙縫后沒有照亮整個屏幕,，而是出現(xiàn)明暗相間的條紋。這充分說明了光是波,，而不是粒子,！托馬斯·楊說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的,。我遺憾地看到,，他也會弄錯，而他的權(quán)威有時甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步,?！睅资旰螅溈怂鬼f的方程組告訴我們,，光是一種電磁波,，它是由于變化的電場和變化的磁場相互激發(fā)以在真空中傳播，徹底解釋了光的波動性的物理基礎(chǔ),。

看起來,，光是一種波已經(jīng)無可爭議了。但很快風(fēng)云突變,，赫茲的光電效應(yīng)無法用麥克斯韋的方程解釋,。光電效應(yīng)的詭異現(xiàn)象在于：如果增大入射光的強(qiáng)度，跑出來的光電子的速度并不會增大,，僅僅是數(shù)目變多,，看起來，每個電子都有自己的配額,，注入能量越多,，獲益的電子越多，但每個電子不會獲得更多的能量,。波動說無法解釋這一現(xiàn)象,，物理學(xué)再次陷入了困境。

1905年的愛因斯坦,，26歲（孩子都兩歲大了）,，連發(fā)5篇論文,，3月份用一篇論文解決光電效應(yīng)并因此或諾獎，4月份用另一篇論文取得博士學(xué)位,，5月一篇論文創(chuàng)立狹義相對論,。開了掛吧？光電效應(yīng)的解釋是,，光是一種粒子（光子）,，每個光子都具有一個特定的能量值，這個值只和這個光子的頻率有關(guān)（光子哪來頻率,？,？其實(shí)是說的這個光子對應(yīng)的電磁波的頻率，這就為日后的波粒二象性埋下了伏筆）,。

光電效應(yīng)中每個電子只吸收一個光子,，所以當(dāng)增大光強(qiáng)時實(shí)際上是增加了光里面的光子數(shù)目，所以被打出來的光電子就變多了,，但每個光電子獲得的能量還是一樣的,，速度不會增加；如果改變?nèi)肷涔獾念l率,，相當(dāng)于改變了每個光子的能量,，頻率越高光子能量越大，如果光子的能量太?。l率低于那個閾值）,，就不能激發(fā)光電子，光電效應(yīng)就沒有了,，這也符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,。所以我們平時看到的火焰，藍(lán)色的光子頻率高,，溫度也就高,，紅色黃色的就不行了，燒菜都要用藍(lán)色外焰燒哦~

看起來,，波動說和粒子說公說公有理婆說婆有理,，有時候粒子說解決不了的問題就用波動說解釋，波動說解釋不了的粒子說湊數(shù),。還可以這樣的嗎,？

20世紀(jì)以前的物理學(xué)家,，有研究力學(xué)的、熱學(xué)的,、電學(xué)的,、光學(xué)的，而20世紀(jì)的物理學(xué)家，全部都是研究量子力學(xué)的,。1927年第五次索維爾會議合影（下圖）,，相信很多童鞋都知道這是最天才的一張照片，29人中有17人獲得諾貝爾物理學(xué)獎（當(dāng)然,，居里夫人還獲得了化學(xué)獎）,。索維爾會議，就是召集全天下最聰明的科學(xué)家來討論量子力學(xué),，因?yàn)闆]有一個人能搞明白量子力學(xué),。

1927年索維爾會議,，科學(xué)界的超豪華陣容

量子力學(xué)的產(chǎn)生,，就從1900年普朗克提出量子假說、1905年愛因斯坦引入光子開始,。1923年德布羅意說：任何一個物體都對應(yīng)一種波,，每個物體都有波粒二象性。我們先來看看1961年的電子干涉實(shí)驗(yàn),，這個實(shí)驗(yàn)被《Physics World》評為物理學(xué)史上最美的實(shí)驗(yàn),。它美就美在用電子做出了跟楊氏干涉完全一樣的結(jié)果（像之前的子彈槍一樣，這次用電子槍掃射）：

電子干涉

這說明，電子也像光一樣,，可以表現(xiàn)出跟乒乓球不一樣,、而跟水波一樣的干涉疊加的性質(zhì)。這證明了德布羅意的說法,，我們有理由因此相信任何物體都具有波動性,。什么？那子彈槍那個實(shí)驗(yàn)為什么沒有波動性,？實(shí)際上,，根據(jù)德布羅意給出的計(jì)算公式，對于子彈來說,，波長是如此之短,，以至于干涉圖案變得非常細(xì)密，細(xì)密到人們用任何探測器都無法分辨,，我們所看到的子彈的分布只是干涉的一種平均（下圖右）,。

各位童鞋一定承認(rèn)我說得好像很有道理,，但還是不太相信,，所有物質(zhì)都對應(yīng)一種波？啥意思,？德布羅意自己也搞不清楚,。1926年馬克思·玻恩提出統(tǒng)計(jì)詮釋，認(rèn)為這種波是一種概率波,，即粒子出現(xiàn)在空間某一位置的概率,，所以大量電子或光子可以體現(xiàn)出波動性，他們出現(xiàn)在不同位置的概率有的位置大有的位置小,，就表現(xiàn)出了干涉的圖樣,。

后來，人們可以控制光子一個一個地發(fā)射,，每個光子通過雙縫后,，都會打在接受屏的某一個位置，這是妥妥的粒子性,。但每次同樣地發(fā)出一個光子,，光子最終到達(dá)的位置是不一樣的，如果一個一個發(fā)射很多很多的光子,，他們就會按照概率的統(tǒng)計(jì)分布在屏幕上,，形成干涉圖樣（單光子干涉）。少量光子往往體現(xiàn)粒子性,，而大量光子則體現(xiàn)波動性,。

光是物質(zhì)，它攜帶有能量,，是波也是粒子

等等等等生活中的光學(xué)現(xiàn)象,，只要從粒子性和波動性兩個角度考慮一下，沒有什么解釋不了的呢,。故事也聽了,，知識也學(xué)了，自己能說清光是什么了嗎,？來來來,，劃重點(diǎn)，1801年的楊氏干涉說明光是波,，1905年愛因斯坦光電效應(yīng)說明光是光子,，1961年電子干涉實(shí)驗(yàn)證明一切物質(zhì)都既是波也是粒子，叫做波粒二象性,。

現(xiàn)在明白光是什么了吧,？現(xiàn)在想想開頭提出的問題。為什么曬太陽會熱,？因?yàn)楣庾訑y帶能量,，也因?yàn)殡姶挪▊鬏斈芰?。光如何引起我們的視覺？因?yàn)橛泄庾哟蛟谖覀兊囊暰W(wǎng)膜上,，也因?yàn)殡姶艌龅恼袷幰鹨暽窠?jīng)的反應(yīng)。光為什么有各種顏色,？因?yàn)椴煌l率的光子攜帶的能量不一樣,，電磁場的振蕩速度也不一樣，引起視神經(jīng)不同的感覺,。光是物質(zhì)嗎,？是的，光具有能量和動量,，當(dāng)它照在靶上時會產(chǎn)生壓力,，稱為光壓，小編將來的研究方向就是光壓驅(qū)動其它粒子加速哦,。