深度長(zhǎng)文：解讀光的波粒二象性，光到底是什么？

在我們的固有認(rèn)知里，物體要么是粒子，有明確的位置和速度，要么是波，就像水波那樣干涉和衍射，不可能既是粒子又是波。

但是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界里，光和其他微觀粒子，既有粒子的性質(zhì)，也有波的性質(zhì)，這就是所謂的“波粒二象性”。

雖然人類(lèi)很早就開(kāi)始了對(duì)光的探索，但真正意義上的科學(xué)探索始于兩位科學(xué)家的爭(zhēng)論，牛頓和胡克。

胡克，被稱(chēng)為“英國(guó)達(dá)芬奇”，他發(fā)現(xiàn)了胡克定律，也就是“彈簧的彈力于形變量成正比”。同時(shí)，他還利用自制望遠(yuǎn)鏡觀察到月球上的環(huán)形山和木星衛(wèi)星，還繪制出了第一張火星地圖。

在光學(xué)上，胡克利用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞，觀察到了光的干涉現(xiàn)象。

根據(jù)自己的觀察，胡克提出了光是一種波，就像水波那樣，一種在介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。

除了胡克之外，惠更斯也提出了波動(dòng)說(shuō)，兩人一起把波動(dòng)說(shuō)推到了頂峰。

不過(guò)，牛頓的出現(xiàn)改變了這一切。

牛頓在23歲就親手磨制出了反射式天文望遠(yuǎn)鏡，極大提升了觀測(cè)精度，大大提升了他在當(dāng)時(shí)科學(xué)界的地位。

在磨制天文望遠(yuǎn)鏡的過(guò)程中，牛頓還意外發(fā)現(xiàn)了一種光學(xué)現(xiàn)象：牛頓環(huán)。

牛頓環(huán)的原理與肥皂泡的干涉一樣，都是光的薄膜干涉。簡(jiǎn)單來(lái)講是這樣的：如果一束光照射到平凸透鏡與平面鏡之間的空氣薄膜上，光就會(huì)早薄膜的上下表面反射，兩束反射光疊加，然后形成明暗相間的同心圓環(huán)。

之前胡克和惠更斯等人只是觀察到了光的干涉現(xiàn)象，但牛頓憑借扎實(shí)的數(shù)學(xué)背景，計(jì)算出了光的波長(zhǎng)，精準(zhǔn)調(diào)整鏡片的精度，極大提升了望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。

但是，雖然牛頓明明發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，他還是提出了光的“粒子說(shuō)”。

牛頓認(rèn)為，光是由無(wú)數(shù)微小粒子組成，沿直線傳播，就像子彈那樣，可以反射和折射。

為何牛頓堅(jiān)持粒子說(shuō)？

有猜測(cè)是這樣的，當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋光的直線傳播，同時(shí)當(dāng)時(shí)的牛頓和胡克有個(gè)人恩怨，胡克曾多次質(zhì)疑牛頓的研究結(jié)果，兩人有恩怨，所以才選擇與胡克對(duì)立的粒子說(shuō)。

憑借牛頓當(dāng)時(shí)科學(xué)界的地位，讓粒子說(shuō)取代了波動(dòng)說(shuō)，成為當(dāng)時(shí)對(duì)光的主流認(rèn)知。

時(shí)間來(lái)到1801年，英國(guó)天才物理學(xué)家托馬斯楊，做了一個(gè)顛覆性的實(shí)驗(yàn)，打破了牛頓的“粒子說(shuō)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很精巧，是物理學(xué)上最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程很簡(jiǎn)單，點(diǎn)燃一個(gè)蠟燭，在蠟燭前放一張帶有針孔的紙，目的是獲取點(diǎn)光源，然后在紙前方放一張帶有兩條狹縫的紙，最后放一塊顯示屏。

如果光是粒子，光在穿過(guò)兩條狹縫后，會(huì)在顯示屏上形成兩條亮斑。但結(jié)果并非如此，顯示屏上顯示的是多條明暗相間的干涉條紋。

這種干涉現(xiàn)象就像兩道水波相互干涉，出現(xiàn)波峰和波谷一樣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果很明顯，光是一種波，推翻了牛頓的粒子說(shuō)。按照托馬斯楊應(yīng)該因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)名垂前世才對(duì)，但事實(shí)并非如此。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)的牛頓擁有無(wú)與倫比的地位，托馬斯楊遭受到了整個(gè)物理學(xué)界的嘲諷，他的論文根本沒(méi)有地方發(fā)表，只能自己聯(lián)系印刷廠印刷。

不過(guò)，雖然托馬斯楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被壓制了幾十年，但就像一顆種子一樣默默成長(zhǎng)。

時(shí)間來(lái)到1818年，物理學(xué)界又誕生了另個(gè)一事件：泊松亮斑。

什么是泊松亮斑？

物理學(xué)家泊松發(fā)現(xiàn)，如果在光的傳播路徑上放一塊不透明的圓板，由于光在圓板邊緣的衍射，在距離圓板一定距離的地方，圓板陰影的中央，應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)了一個(gè)亮斑！

這在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界無(wú)法理解，陰影的中央怎么可能會(huì)出現(xiàn)亮斑？

另一位物理學(xué)家菲涅爾，精心設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在不透明圓板的陰影中央，真的出現(xiàn)了一個(gè)亮斑，這個(gè)亮斑后來(lái)就被命名為“泊松亮斑”。

泊松亮斑，是光波動(dòng)性的有力證據(jù)。

之后，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始接受光的波動(dòng)性，牛頓的粒子說(shuō)逐漸被淡化。

雖然波動(dòng)說(shuō)取得了重大勝利，但更大的問(wèn)題隨之而來(lái)：如果光是一種波，到底是一種什么波？

在當(dāng)時(shí)的普遍認(rèn)知里，波都需要有介質(zhì)，比如說(shuō)水波的介質(zhì)是水，聲波的介質(zhì)是聲音，那么光傳播的介質(zhì)又是什么？

為了尋找光的傳播介質(zhì)，以太假說(shuō)就來(lái)了。

以太，在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是宇宙中絕對(duì)靜止的參考系，所有物體的運(yùn)動(dòng)，都相對(duì)于以太而言。

波動(dòng)說(shuō)的支持者認(rèn)為，光的傳播介質(zhì)就是以太，是在以太介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。

但是，以太只是一個(gè)假設(shè)的概念，科學(xué)需要驗(yàn)證其是否真的存在。

注明的邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，就是為了驗(yàn)證以太是否存在的實(shí)驗(yàn)，利用光的干涉，測(cè)量地球在以太中的運(yùn)動(dòng)速度。

按照以太假說(shuō)，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，肯定會(huì)相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)。那么，光在不同方向上的速度，肯定是不同的。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不管光在哪個(gè)方向傳播，測(cè)量到的速度都是一樣的。

很顯然，這樣的結(jié)果直接否定的以太的存在，這讓當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界感到非常困惑，無(wú)論怎樣都不承認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，連邁克爾遜和莫雷本人都不愿承認(rèn)，認(rèn)為肯定是實(shí)驗(yàn)過(guò)程有瑕疵導(dǎo)致的。

直到另一偉大物理學(xué)家出現(xiàn)，才讓我們對(duì)光的本質(zhì)更進(jìn)一步，他就是麥克斯韋。

麥克斯韋的偉大，離不開(kāi)同樣偉大的法拉第。

法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，提出了“場(chǎng)”的概念，認(rèn)為電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是客觀存在的物質(zhì)，它們的傳播不需要任何介質(zhì)，就可以在真空中傳播。

不過(guò)，法拉第只能提出場(chǎng)的概念，并沒(méi)有通過(guò)數(shù)學(xué)公式將其具體描述出來(lái)。而麥克斯韋正好彌補(bǔ)了法拉第的遺憾，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推導(dǎo)，最終得出了堪稱(chēng)完美的方程，著名的麥克斯韋方程組。

該方程組的偉大之處就在于，完美地把電場(chǎng)和磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)，證明了電磁和磁場(chǎng)是相互聯(lián)系相互轉(zhuǎn)換的。變化的電磁會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，如此循環(huán)往復(fù)，形成電磁波。

麥克斯韋通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，電磁波的傳播速度，與光速相等。

于是麥克斯韋大膽預(yù)言，光，其實(shí)就是電磁波。

這個(gè)預(yù)言，徹底解決了光的傳播介質(zhì)問(wèn)題，表明光的傳播不需要任何介質(zhì)，就可以在真空中傳播，依靠的正是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)化。

光是電磁波的結(jié)論，徹底顛覆了之前的以太假說(shuō)。

稍有遺憾的是，偉大的麥克斯韋并沒(méi)有見(jiàn)證自己預(yù)言的驗(yàn)證，驗(yàn)證光是電磁波的任務(wù)，落到了另一位物理學(xué)家的頭上，赫茲。

1888年，赫茲設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)發(fā)射電磁波的線圈，一個(gè)接收電磁波的線圈。當(dāng)發(fā)射線圈通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，形成電磁波。接受線圈則會(huì)感應(yīng)到電磁波，產(chǎn)生電流。

赫茲的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證的麥克斯韋的預(yù)言，還測(cè)量出了電磁波的傳播速度，與光速完全相同。這個(gè)結(jié)果徹底證實(shí)了光是一種電磁波，光的本質(zhì)之爭(zhēng)，似乎可以畫(huà)上句號(hào)了。

但是，別慌，一個(gè)轉(zhuǎn)折又來(lái)了。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，赫茲還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象：光電效應(yīng)。

什么是光電效應(yīng)？

簡(jiǎn)單講，當(dāng)一束光照射到金屬表面時(shí)，金屬表面會(huì)逸出電子（當(dāng)時(shí)電子并沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，赫茲稱(chēng)之為“負(fù)電粒子”），使得金屬表面帶正電。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，與當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)完全矛盾。

按照當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)，光的能量是連續(xù)的，與光的強(qiáng)度成正比，光的強(qiáng)度越大，能量就越大。那么，只要光的強(qiáng)度足夠大或者照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，不管光的頻率高低，都會(huì)讓金屬表面逸出電子。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。

赫茲的助手勒納德在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)出了光電效應(yīng)的三條規(guī)律。

1.單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)量，與入射光的強(qiáng)度成正比。

2.金屬都有一個(gè)“極限頻率”，只有入射光的頻率高于這個(gè)極限頻率時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果入射光的頻率低于這個(gè)極限頻率，不管光的強(qiáng)大多大照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)逸出電子。

3.電子的最大動(dòng)能，與入射光的頻率成正比，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

以上三條規(guī)律，徹底推翻了波動(dòng)說(shuō)。當(dāng)時(shí)的赫茲也看到了這些，但并沒(méi)有給出解釋。

光電效應(yīng)一直困擾著物理學(xué)家，直到1905年，愛(ài)因斯坦的出現(xiàn)，才徹底解決了這個(gè)難題。

當(dāng)時(shí)的愛(ài)因斯坦受到普朗克光量子假說(shuō)的啟發(fā)，大膽提出，光不僅是一種電磁波，也是一個(gè)個(gè)離散的“光量子”（后來(lái)稱(chēng)為“光子”），每個(gè)光子的能量，遵循E=hν的規(guī)律，只與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

光量子假說(shuō)，完美解釋了光電效應(yīng)，更重要的是，這個(gè)假說(shuō)重新引入了“粒子”的概念，打破了“光要么是波，要么是粒子”的固有認(rèn)知，表明“光既是粒子也是波”！

這里需要明確一點(diǎn)，愛(ài)因斯坦提出的“光量子假說(shuō)”，與牛頓的“光粒子說(shuō)”有本質(zhì)的區(qū)別。

牛頓認(rèn)為的粒子，是一種經(jīng)典粒子，有明確的位置和速度遵循經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。

愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)，是量子化的粒子，沒(méi)有明確的位置和速度，遵循量子力學(xué)規(guī)律，同時(shí)還有波的特性，比如干涉和衍射。

不過(guò)愛(ài)因斯坦的假說(shuō)，在當(dāng)時(shí)遭到了很多質(zhì)疑，畢竟，波動(dòng)說(shuō)已經(jīng)被赫茲的實(shí)驗(yàn)徹底證實(shí)，光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，很難讓人接受。

不過(guò)，1916年物理學(xué)家通過(guò)著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)。

最終，光的波粒二象性概念，終于成型了，光具有波粒二象性，既可以表現(xiàn)出波的特性，也可以表現(xiàn)出粒子的特性。

但是，問(wèn)題又來(lái)了，波粒二象性只有光才能表現(xiàn)出來(lái)嗎？其他微觀粒子比如電子，質(zhì)子和中子，是否也有波粒二象性？

1924年，德布羅意提出了一個(gè)大膽的猜想，所有的微觀粒子都具有波粒二象性，這種波，就被稱(chēng)為“德布羅意波”，或者“物質(zhì)波”！

德布羅意發(fā)表的論文指出，物質(zhì)波遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，粒子的動(dòng)量與物質(zhì)波的波長(zhǎng)成反比。

在當(dāng)時(shí)來(lái)看，這個(gè)假說(shuō)太具顛覆性了。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)認(rèn)為，粒子和波是完全隊(duì)里的，粒子是離散的，而波是連續(xù)的，一個(gè)微觀粒子怎么可能“既是粒子又是波”？

不過(guò)，愛(ài)因斯坦非常鐘意德布羅意的假說(shuō)，這讓該假說(shuō)得到了物理學(xué)界的高度關(guān)注。

而正是受到了德布羅意假物質(zhì)波的啟發(fā)，薛定諤在1926年提出了薛定諤波動(dòng)方程，建立了量子力學(xué)的波動(dòng)理論，薛定諤方程，量子力學(xué)的核心方程。

這個(gè)方程看起來(lái)比較復(fù)雜，也沒(méi)有必要具體理解，只需要明白，薛定諤方程在量子力學(xué)的地位，就像牛頓運(yùn)動(dòng)定律在經(jīng)典力學(xué)的地位那樣。

雖然得到了愛(ài)因斯坦的認(rèn)可，但德布羅意假說(shuō)還是需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

這個(gè)驗(yàn)證也很快到來(lái)。

1927年，物理學(xué)家戴維森和革末，完成了著名的“戴維森-革末實(shí)驗(yàn)”，證明了電子也有波動(dòng)性。

實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單，把電子束照射到鎳晶體的表面，電子會(huì)在晶體表面發(fā)生散射。如果電子具有波動(dòng)性，那么散射后的電子，應(yīng)該會(huì)形成衍射條紋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果果然如德布羅意所預(yù)測(cè)的那樣：散射后的電子，在顯示屏上形成了明暗相間的衍射條紋。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，直接證明了電子具有波動(dòng)性，德布羅意的物質(zhì)波假說(shuō)，終于得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

而德布羅意也因?yàn)樘岢鑫镔|(zhì)波假說(shuō)，獲得了1929年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

到這里，也差不多該結(jié)束了。

但很多小伙伴們肯定還會(huì)有疑問(wèn)：你說(shuō)了這么多，微觀粒子到底是粒子還是波？

其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題本身就是“問(wèn)題”，本身就陷入了經(jīng)典物理學(xué)的思維定式。

在量子世界里，粒子和波并不是完全對(duì)立的，而是統(tǒng)一的。微觀粒子既不是純粹的波，也不是單純的粒子。

微觀粒子的行為，取決于我們的觀測(cè)方式。

比如，在著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)我們不觀測(cè)時(shí)，電子就會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性，出現(xiàn)干涉條紋。如果我們觀測(cè)，電子就會(huì)表現(xiàn)位粒子性，只會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)亮斑。

這種“觀測(cè)影響結(jié)果”的現(xiàn)象，是量子力學(xué)的核心特性之一，也正是波粒二象性的本質(zhì)——微觀粒子的行為，沒(méi)有絕對(duì)的“波”或“粒子”之分，它的表現(xiàn)，取決于我們?nèi)绾斡^測(cè)它。

這并不是說(shuō)微觀粒子的本質(zhì)是不確定的，而是說(shuō)，微觀世界的規(guī)律，與我們宏觀世界的經(jīng)驗(yàn)，有著本質(zhì)的區(qū)別。