物理学史话（一）-波粒之争

在物理学史上，对光的本质研究，引起了一场旷日持久的大争论。从牛顿系统的研究光开始，人们不断地探寻这个平常物理现象背后的奥秘。然而，对光研究的越多越困惑，直至今天，人们也不得不尴尬地接受一个事实：光既是一种实实在在的粒子，又是一种物质运动形式（波）。这里简要梳理一下人们对光的本质认识历程。在介绍之前，还是说明一下波的物理学概念。

人们最先认识机械波，例如，声波、水波等。物质的振动通过介质传播的过程就是波。例如，当我们周期性的上下挥舞手臂，挥舞的手臂就是物质的振动（振源），这种振动可以借助周围的空气作为介质向外传播开去，这个传播的过程就是波。每秒重复挥舞手臂的次数称为这个波的频率（频率单位是赫兹， 1赫兹就是每秒钟挥舞一次）。在手臂的周围空气中就能够感受到这种振动，实际上，在空气中的振动就是声波，当我们挥舞的足够快时，达到20赫兹时（每秒重复挥舞20次），在旁边就能听到挥舞所产生的声音了，因为人耳能听到的最低声音频率是20赫兹，低于这个频率被称为次声波。值得一提，振动在介质中的传播，并非物质的传播，而是振动形式的传播，振源的来回振动带动介质做相同振动，由近及远，使得远处介质也与声源有相同频率的振动。从波的定义可以看出，它并不是实体物质，只不过是振动沿着介质传播。波本质上是介质在振源影响下发生相同的振动，所以它遵循运动的叠加原理。当两列波在传播方向上相遇时，相遇点上的介质按照两个振源振动叠加方式运动。特别地，当两列波频率相同且相位（振源开始振动的位置）固定时，会导致它们传播方向上的一些位置上的介质始终处于振动加强状态（两个振源在此位置的振动影响互相加强），而另外一些位置上的介质始终处于振动削弱状态（两个振源在此位置的振动影响互相抵消）。这种现象称为波的干涉，是波的一个重要特性。所有波都有干涉现象。

水波干涉图（两列频率相同的波在传播方向上叠加后结果。可以看到一些区域振动被削弱，另外一些区域的振动被加强）
在牛顿以及牛顿之前，人们认为光是一种粒子，和宏观上弹性小球一样，形象点称之为光子，光子从光源发出来沿着直线前进，遇到障碍物会被改变运动方向。这种看法可以很好地解释光的直线传播，反射等特征，所以统治了很长一段时间，并得名为微粒说。微粒说以牛顿经典力学理论解释光子的各种运动特征。 17世纪早期，笛卡尔率先提出了一种假说，他认为光可能是一种压力，在介质中传播。之后不久，意大利数学家格里马迪（Grimaldi）做了一个实验，他让一束光通过两个小孔，如果小孔的大小和之间的距离控制得当，能够在后面的屏幕上得到明暗相间的条纹，格里马迪立刻想到波的干涉条纹。于是，他提出光可能是一种波动，这就是最早的光的波动学说。从机械波中得到启发，早期波动学说认为光波也需要传播介质，并将其称为”以太” ，并想像”以太”是一种摸不着看不见但是充满宇宙各个角落的物质。例如，惠更斯在1687年提出惠更斯原理，他认为发光体的微粒能将振动传递给邻近的”以太”微粒，每个受激的”以太”微粒作为新的振源，形成以其为中心球形子波。他以弹性碰撞理论，分析得出结论：”以太”微粒不需要前进，也可以传播四面八方传递过来的振动，并且互不影响，这样能解释光在传播方向上相遇而互不影响的现象。这种受机械波影响的看法，直到19世纪才被迈克尔逊和莫雷的实验所否定。