什么是光的本质？“波粒战争”的起源

现代物理学就像一座宏伟的大厦。这座大厦有两根支柱，其中一根是相对论，另一根是量子力学。相对论彻底改变了我们对宇宙的看法，而量子力学则彻底改变了我们的生活。有了量子力学才能指导我们研究半导体，才会有今天人人都在使用的手机和互联网。有趣的是，打开相对论和量子力学大门的都是同一样东西，那就是——光。

光到底是什么？

以牛顿为代表的科学家认为，光是一连串的微粒。所有的发光物体，不管是太阳还是蜡烛，都在不断发射出无数的微粒。这些微粒如果射到了我们的眼睛中，就是我们感受到的光。

微粒学说可以解释光为什么是沿着直线传播的，也可以解释光的反射现象。但是，人们很快就发现了一些无法用微粒学说来解释的现象。

以惠更斯为代表的科学家提出了不同的观点：光根本不是微粒的聚合，而是一种波。

什么是波呢？波是一种运动形式的传播。如果你上下抖动绳子，会产生绳波，如果把一颗石头扔进水中，水中泛起的涟漪就是水波。波有一种很神奇的效应，如果两个波面对面相遇，它们会毫无阻碍地对穿而过。

牛顿对这种波动假说提出质疑：如果光是一种波，产生光波的振动介质是什么呢？显然不是空气，因为光无法让空气产生振动。

惠更斯这样回答：太空是由一种被称为“以太”的看不见摸不着的物质充满着，所以光波产生的介质就是以太啊。

现在我们知道，以太其实并不存在，但在当时，以太是一个既无法证实，也无法证伪的假说。波动说可以用以太来作为论据，但微粒说也可以质疑它，微粒派和波动派在很长一段时间中都争得不可开交，史称“波粒战争”。

两个理论争论的一个焦点就是对光的折射现象的解释。一束光线从空气中射进水中，会发生偏折。如果把一根筷子插进水中，就会看到筷子好像被折断了一样，这就是折射现象引起的。这个现象该如何解释呢？

牛顿认为，微粒在射进水中以后会被某种作用力侧向拉拽一下，因而导致路径发生了偏转，因为受到了力，所以光的速度在水中比在空气中更快。惠更斯则认为：这是因为光波进入水中，速度变慢了，所以才发生了偏转。这个结论与牛顿的结论刚好是相反的。

那么水中的光速到底是变快了还是变慢了呢？这就成为了判断谁对谁错的试金石。

到了 1801 年，托马斯·杨趴在小黑屋里把牛顿给拉下了马，他做的实验就是物理学史上非常著名的“双缝干涉实验”。

双缝干涉实验所展现出来的许多明暗相间的条纹，用微粒学说根本无法解释，但是用波动学说可以很好的解释。牛顿的说法显然是错了。

没过多久，波动派又迎来了一个重大的利好消息，法国物理学家傅科宣布：根据他做的实验，光在水中的传播速度约为22万公里/秒，比在空气中的传播速度慢一些。至此，光的波动学说已经打得微粒学说没有还手之力了。

但波动派真正认为己方取得了最终胜利，还要等到 19 世纪末，科学家们发现了电磁波，一系列的实验表明，电磁波的各种特性都与光非常相似。人们终于认识到，光就是一种电磁波。

到这里，似乎光的秘密已经大白于天下，波粒战争以波动派的彻底胜利而结束了。但是，有一朵乌云却始终悬在波动派的头上，那就是以太问题。

对于波动派来说，始终找不到以太存在的证据，这已经够闹心的了。可是，他们万万没有想到，赫兹做了一个实验，瞬间又让波动学说陷入深渊，微粒派和波动派的“战局”越来越精彩纷呈。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司