高中生必看：光到底是什么？
高中生必看：光到底是什么？科学大院
2022-10-05 16:00
Posted on 北京
The following article is from 柚知识 Author 小柚子
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爱因斯坦说：“提出问题比解决问题更重要。”
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图源：天才爱因斯坦剧照（S01E10）
在科学领域，一个好的问题甚至能够推动整个学科的发展！
说到这，就不得不提及这样一个神奇的问题：
“ 光到底是什么？”
这一问题可以说贯穿了整个现代物理学的发展，甚至还引发了一轮又一轮顶级科学家之间的集体大战！
光的微粒说和波动说
既然是大战，首先得有两个阵营！
早期，很多人认为，光是一种非常细小的粒子流，这就是光的“微粒说”。
后来，人们逐渐认识到，声音是一种波。于是，渐渐有一部分人认为，光也有可能是一种类似声波的东西，这就是光的“波动说”。
不过，在科学尚处于萌芽的年代，无论是“微粒说”还是“波动说”，都有着很大的局限性，双方的武装都是十分薄弱的。
第一次波粒大战
直到十七世纪中期的到来！
首先登场的是波动说大将胡克！
没错，就是胡克定律（△F=-k△x）的那个胡克。
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罗伯特·胡克
他于1665年出版的《显微术》一书中明确支持波动说，该书影响巨大，波动说一时占据了上风。
25年后，另一位波动说巨头惠更斯在其著作《光论》中，提出了著名的惠更斯原理，更是将波动说上升到了科学理论的高度。
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克里斯蒂安·惠更斯
惠更斯原理球形波面上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。
惠更斯原理在光学领域一路攻城略地，很好地解释了光的直线传播、反射、折射以及晶体的双折射等现象，将波动说的兴盛推向了顶点。
可惜，这一切注定只能是昙花一现。
因为有人向波动说出招了。
这个人就是历史上的科学巨人牛顿。
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艾萨克·牛顿
牛顿是微粒说的坚定拥护者。
1704年，牛顿出版了自己的巨著《光学》，利用自己的天才数学能力，他以微粒说为基础，时不时还从波动说那里吸取功力作为己用，解释了光的很多现象。
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《光学》
相反，波动说领袖胡克与惠更斯已经离世，波动说群龙无首。再加上此时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿，所有人都在他的力学体系下顶礼膜拜，无人敢质疑牛顿的才华与权威。
终于，波动说被打得节节败退。
在牛顿光环的笼罩下，微粒说一时风头无俩，足足统治了人类100年。
第一次波粒大战，以波动说的失败而告终！
第二次波粒大战
科学界最不缺的，就是一些反叛的人。
这种人最让人讨厌的地方，就是总喜欢拿那些最深入人心的理论开刀，还义正言辞地告诉全世界
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托马斯·杨无疑就是这种人。
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托马斯·杨—“世界上最后一个什么都知道的人”
时间转眼来到了19世纪初。
天才牛顿早已去世几十年，于是，一些波动说的不安定分子开始了自己的反攻。
托马斯•杨设计出了既精妙又简单的双缝干涉实验，发现了光在通过双缝后出现了明暗相间的条纹，这是典型的波的性质。
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双缝干涉实验—历史上十大经典物理实验之一
他还在自己的论文中大言道：“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”
然而，他的论文无处发表，只好印成小册子，据说发行后只卖出了一本。
尽管如此，双缝干涉实验的明暗条纹最终还是惊动了整个微粒说军团。微粒说大军还发现，双缝干涉实验证据确凿，用自己的微粒说实在难以反驳。
反之，波的叠加理论却能够轻易预言明暗条纹出现的原因及其位置！
微粒大军坐不住了。他们决定背水一战，发动全社会的力量来挽救自己的权威。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/dhIUoaayW8223IrsiajudhPFnoK8661aSianickLFUZmZTJvSte93ceojeSyjsXrIw2H6dvmHBLF7mIEk2OmPOH2g/640?wx_fmt=jpeg
1819年，法国科学院组织了一个悬赏征文大赛，题目就是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。
其实，这一题目的真正目的，是微粒说大军希望借助社会力量，利用微粒说来解释光的干涉与衍射现象，打击波动说理论。
谁知道，正是这一次竞赛，彻底宣告了微粒说的失败！
因为出现了一个人。这个人叫菲涅尔。
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奥古斯丁·让·菲涅耳
此前的菲涅尔，只不过是一个默默无闻的工程师，趁着这次竞赛，他向竞赛组委会提交了一篇论文，名字叫做《关于偏振光线的相互作用》。
在这一论文里，菲涅耳革命性地认为光是一种横波，而非之前认为的光是一种纵波。以此为出发点，菲涅尔严格证明了光的衍射问题，还解决了长期困扰波动说的一些其他问题。
不过，组委会评委泊松不相信这一点。
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西莫恩·德尼·泊松
他对菲涅尔说：“我看了你的理论，并做了一下计算，我发现你的理论会得出这样一个荒谬的结论，就是你的理论被应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间会出现一个亮斑，这怎么可能呢？”
菲涅尔退缩了。
但是同样身为评委之一的阿拉果却坚持道：“这还不简单吗，我们做个实验验证一下不就行了。”
结果，实验表明，还真的有一个亮点奇迹般出现在了圆盘阴影正中心，完全符合泊松的预言。
身为微粒说拥护者的泊松，反而帮了波动说的一个大忙。
为了纪念这一戏剧性的事件，后人便将这一亮斑称为泊松亮斑。
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泊松亮斑
以光的干涉和衍射作为武器，波动说终于迎来了自己的春天，第二次波粒大战，以微粒说的失败而告终！
后来，可以比肩牛顿的天才物理学家麦克斯韦横空出世，统一了整个电磁学王国，提出了令所有科学家心醉的麦克斯韦方程组，并指出光只是电磁波的一种。
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詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
1887年，赫兹更是用实验证明了“电磁波”的存在，并精确计算出电磁波的速度等于30万公里/秒，与麦克斯韦的理论完全符合。
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海因里希·鲁道夫·赫兹
背靠电磁学理论这棵参天巨树，波动说的地位似乎已经无人能够撼动！
谁曾想，正所谓成也萧何，败也萧何！
第三次波粒大战
赫兹在证明麦克斯韦电磁学理论的实验中还发现，光照射到金属上，能够打出金属表面的电子，这就是光电效应。
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光电效应
意外的是，高贵典雅的电磁学理论，竟会在解释光电效应的问题上碰壁。
这时候，爱因斯坦登上了历史舞台。
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阿尔伯特·爱因斯坦
他认为，要解释光电效应，必须认为光是由数目有限的“光子”组成，它们不可分割，只能整份地被吸收或发射。
什么？这不就是翻版后的微粒说吗！只不过是把牛顿的小球换成了光子而已。
沉寂了将近100年的微粒说，如幽灵一般，竟又以此种方式回归了！
1923年，康普顿又发现，用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这一现象被称为“康普顿效应”。
同光电效应一样，康普顿效应也无法用经典电磁学理论来解释，只有借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度才能够圆满解释实验现象。
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康普顿
这时候，波动说大军发现，与他们对峙的微粒说大军，在武器装备方面竟已经与自己平分秋色。
第三次波粒大战全面爆发。
本来，微粒说的战地主要是光电效应和康普顿效应，而波动说的战地则在光的干涉与衍射，一旦跨入对方的领域，只会让自己碰得灰头土脸，双方都无法越过对方的防线一步。
可是后来，德布罗意提出了著名的“物质波”概念，认为一切物质都具有波动性，而且G.P.汤姆逊还真在实验中得到了电子的衍射图案，验证了德布罗意的观点。
电子居然也是个波！一切物质都是个波！
终于，第三次波粒大战全面升级，成为了一场关系整个物理学领域的世界大战！
直到1927年，海森堡提出了震惊世界的“不确定性原理”，即你不可能同时知道一个粒子的位置和速度。
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沃纳·卡尔·海森堡
看到不确定性原理的那一刻，玻尔终于明白，原来无论是光子还是电子，甚至是其他的一切，它们既是粒子，同时也是个波！我们对一个粒子的属性了解越多，对波的属性了解就越少，反之亦然，这就是不确定性原理背后的思想。
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尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔
持续数百年的争论，终于尘埃落定！
原来，无论是微粒说还是波动说，都只是光本质的一部分，只有二者的有机融合，才能组成有血有肉的光。
光具有波粒二象性，一切物质都具有波粒二象性！
这就是三轮波粒大战的最终结局！
总结
三次波粒大战，持续时间之长，波及范围之广，影响程度之深，在整个物理史上是十分罕见的！
下面的表格整理了三次波粒大战的内容与结局（其中的红色文字表明该观点是错误的）。
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三百多年间，无数科学伟人—胡克、惠更斯、牛顿、托马斯·杨、菲涅尔、泊松、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦、康普顿、德布罗意、海森堡、玻尔……—的名字穿插其中，波动学、电磁学、量子力学等理论在一次次大战中诞生。科学之精妙，实在值得我们去细细品位！
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