微粒说与波动说-《通识物理》的亮点

光是一种重要的物理现象，它照亮我们的世界，还带来美丽的城市霓虹。光又是生命之源，各种生物是在光的辐照下才逐渐生长，生意盎然；光还为人类提供能量，是人类赖以生存的基础。光又是信息之窗，是人类了解神秘宇宙的最佳信使。然而，光的本质究竟是什么？这个问题却在历史上引发了长久的争论。

18 世纪，著名的物理学家胡克根据对声波和水波的认识，认为光就像抖动的绳索（如图11.1），是一种弹性的机械波，只是介质的振动，并不存在实际物质的传递，这就是著名的光的“波动说”。荷兰物理学家惠更斯不仅赞同胡克的观点，还在1678 年进一步认为：光是发光体在“以太”这种介质中传播的机械纵波，就像声音在空气中的传播那样。据此，惠更斯还创立了用以解释光波动性的著名的“惠更斯原理”。

图11.1　胡克和惠更斯支持光的“波动说”观点

然而，如图11.2 所示，牛顿在思考这个问题时则有不同的看法，他根据光的直线传播特性，提出光是一种微粒，是真实的物质传递，这也就是光的“微粒说”。同时，牛顿还利用“光的微粒说”观点来解释一些光学现象，比如牛顿就认为：“光的粒子以一定的速率在真空中保持直线运动，碰撞到光滑的镜面则产生弹性反射。”这就好比我们现在所理解的乒乓球（粒子）在台面反弹，所以牛顿认为光的反射现象就是光的“微粒说”的很好证据。不仅反射现象，法国物理学家笛卡儿的理论推导也证明了光的“粒子性”假说还能够解释光的折射现象，甚至在相当程度上能够完整地解释所有几何的光学现象。

图11.2　牛顿和笛卡儿支持光的“微粒说”观点

虽然光的波动说和微粒说都存在一定的局限性，但由于牛顿在学术界的崇高声望，牛顿支持的微粒说在一个多世纪的时间内还是被更多人接受。重大的转折发生在1801年，英国人托马斯·杨首次完成了光的双缝干涉实验，他利用一块挡板上的两个狭缝将点光源分为完全相同的两束光，并在屏幕上观察到了与水波干涉行为十分相似的明暗条纹。同时，他还通过实验测出了空气中不同色光的波长，这些都成为光的波动说的有力证据。1809 年，法国物理学家马吕斯发现了光的偏振现象，为了解释这种现象，马吕斯认为这是因为光波具有一个非常小的横向振动分量，由此马吕斯开始怀疑惠更斯关于“光是一种机械纵波”的观点。1821年，法国物理学家菲涅耳则在马吕斯的工作基础上，通过数学计算得出重要结论：“光的振动完全是横向的”，也就是说光其实是一种“横波”。为了验证自己的计算结果，菲涅耳还利用自己设计的特殊光学装置做了光的干涉实验，从而继托马斯·杨之后再次证实了光的波动性。后来，菲涅耳根据光的“波动性”又设计了著名的“菲涅耳衍射”，其结果不仅更进一步证实了光的波动性，还极大完善了光的波动理论。至此，人们终于接受了光的波动说，但是需要特别强调的是：这时人们所理解和接受的光的波动性，仍然是基于弹性机械波的。所以，当时人们对光的波动性的理解仍然是片面的，甚至错误的。(www.xing528.com)

这种错误的情况一直持续到19 世纪60 年代，英国物理学家麦克斯韦总结了前人在电磁学方面的知识并加以扩展，创立了电磁场理论，他认为：“周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场，电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，就会形成电磁波。”麦克斯韦的理论不仅预言了“电磁波”的存在，还揭示了光的本质就是一种电磁波。到了1887年，如图11.3所示，德国物理学家赫兹根据麦克斯韦的理论，设计了一系列实验，终于发现了电磁波，并揭示了光和电磁波一样，都具有反射、折射和偏振等波的基本特性。这个结果不仅证实了麦克斯韦电磁理论的正确性，而且证实光的本质确实就是一种电磁波。此外，赫兹还根据麦克斯韦的理论，计算出了电磁波在真空中的传播速度与当时已测得的光在真空中的传播速度完全相等。从此，光是电磁波的观点又逐渐取代了光是机械弹性波的观点。

图11.3　赫兹首次从实验上证实光是一种电磁波

不过在20 世纪来临的时候，光的波动学说又面临新的挑战，如图11.4 所示，人们观察到只有用特定波长的光照射在某些金属上才会有电子逸出的现象，也就是“光电效应”。显然，如果光波是连续的，那么任意光波在足够长时间内的能量积累都会使电子逸出，可是这个现象并没有发生，只有特定波长的光波照射才能观察到这个现象。这个实验结果显然是光的波动理论无法解释的。1905 年，为了解决这个问题，爱因斯坦首次引入了“光量子微粒”的概念：光量子是一个携带能量的粒子，就像用乒乓球无法砸倒一瓶啤酒，但用一块石头却可以做到，电子的逸出意味着与光子能量的匹配；而光子的能量大小则决定于光波的频率（波长），改变光波频率的实质就是改变光波的能量。显然，爱因斯坦对光的本质的解释又回到了“微粒说”的范畴，由于光的“波动说”和“微粒说”在解释一些光学物理现象时各具优势，所以关于光的本质的问题也成了当时物理界的一个大难题。

图11.4　爱因斯坦与“光电效应”

1922—1924年间，一个刚从历史学领域转向物理学研究的法国青年学者德布罗意，在充分理解普朗克、爱因斯坦以及波尔等人对量子规律的论述之后，他连续发表了三篇重要的论文，首次提出了物质波的“波粒二象性”假说，并通过晶体对电子的衍射实验成功证实了这个假说。后来，人们更进一步地发现：当光的波长较短时，光波的“微粒性”较强，并由此体现出更明显的几何光学现象；相反，当光的波长较长时，光波又会显现出更显著的“波动性”，以及干涉、衍射等波动光学现象。德布罗意的假说和实验终于顺利地解决了光的波动性与微粒说之间的纠葛。原来，光既是电磁波，又具有粒子性，也就是说光具有“波粒二象性”。1926 年，在德布罗意的启发下，德国物理学家波恩进一步提出了德布罗意波概率分布的解释，这最终导致了后来描写微观粒子的波动方程——“薛定谔方程”的诞生，而薛定谔方程在新物理体系中的地位被认为和牛顿运动定律在旧物理体系中的地位一样伟大。说到薛定谔，很多读者一定会想到著名的“薛定谔猫”的思维实验，其实这个实验也与微观物质的波粒二象性有关。这个实验是说：“把一只猫和毒药同时放入一个封闭的盒子，打开盒子前猫的生死不明，打开盒子观测才能知道结果。”这个思维实验体现了认识量子行为的一个关键操作：“观测”。微观物质有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微观物质以波的叠加混沌态存在；一旦进行观测，它们立刻选择成为粒子，这也体现了微观物质的“波粒二象性”。