没有人能懂量子力学（跨越300年的光是波还是粒子之争）

量子力学的诡异之根源在于“波粒二象性”。

要揭开量子力学之迷，不得不先从了解光的波粒二象性开始。

如果量子力学是一部传奇的故事，光的“波”“粒”之争就是它的前传，我们就从这场跨越三个世纪的“论战”开始吧......

首先，请闭上眼睛，先回顾一下这场“ 回肠荡气“”波澜壮阔”的画面：

古希腊时代人们就开始思考关于光的本质。根据经验观察和元素说的影响，那时人们认为光是一粒一粒的。

17世纪初，笛卡尔第一次提出了光是波的看法，加上惠更斯的支持，整个17世纪人们主要的观点就是，光是一种波。

18世纪初的1704年，牛顿发表了《光学》，他说光是一种粒子。于是整个18世纪人们几乎都承认，光是一种粒子。

19世纪初的1803年，托马斯.杨做了一个著名的实验，叫双缝干涉实验，它证实光是一种波。加上后来麦克斯韦电磁理论的证实与支持，于是人们在整个19世纪里都相信，光还是一种波。

20世纪初的1905年，爱因斯坦的光电效应理论说明，光也可以是一样粒子，于是人们都被搞懵了……

真是各领风骚一百年啊！

都争了300来年，还是别争了，现在大家都相信光不仅是一种波，也可以是一粒子，还可以同时是一种粒子和波，这就是光的“波粒二象性”。

几百年来这场争论是如何展开的？他们都争了些啥？

在古希腊时代，人们只是凭生活的经验去理解，为何光只能走直线？光遇到了障碍物怎么不会绕过去呢？光在水中为什么会发生折射现象？....等等。这些观察到的现象加上当时元素说的影响，人们认为光应该是一颗颗非常小的“光原子”组成。这种理论我们称之为光的“微粒说”。当时欧几里得的《反射光学》也论述到光的直线传播原理和光的反射原理。

光的反射

直到17世纪初，笛卡尔才第一次提出了光是波的看法，在他的《折光学》中最先提出了这样一种可能性：光是一种压力，在媒介里传播。他认为既然声音是一种波，为什么光就不能够是一种波呢？

后来意大利的数学教授格里马弟做了个实验，就是用一束光通过两个小孔投射到屏幕上，这时在屏幕上出现了一些明暗条纹的图案。这让他想起了水波的衍射。于是他得出结论，光应该也象水波一样是一种在介质中传播的波。衍射也首次成为了光是一种波的有力证据。

双孔干涉实验

光的波动说，后来还得到了当时名气比较大的胡克的支持，他在1665年出版的《显微术》中明确支持了光是一种波的说法。他观察了肥皂泡里映射出的色彩和通过薄云母片产生的光辉，断定光就是一种波。

直到1672年，牛顿出现了，他初试牛刀。牛顿让光通过三棱镜看到不同颜色的光，这些不同颜色的光通过透镜又可以聚焦为白光。这个光的散射实验，让牛顿坚信，光是一种微粒，这些不同的颜色就是不同的微粒。他给英国皇家学会秘书奥登伯格写信介绍了他的理论，当时并没引起多大的反响。

牛顿在做色散实验

在惠更斯的有力反击下。光的波动说还是占据着很大优势。牛顿的微粒理论暂时还得不到更多人的支持。波动说认为，如果光是一种粒子，那么光在交差时，为什么不因为碰撞而改变方向呢？惠更斯引入“波前”等概念成功的用波的理论证明和推导了光的反射和折射定律。这对于“微粒”说方面可说是沉重的打击。1690年，惠更斯发表了他的著作《光论》标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。波动说在整个17世纪几乎都是占了上风。

但是，惠更斯的波动理论也有他的缺陷。波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。那么这种介质是什么？当时惠更斯用的是“以太”来作为应付，但是以太是否存在，当时也没有证实。另外，惠更斯认为光是一种横波，这就没法解释光的偏振现象。

十八世纪初的1704年，牛顿终于重拳出手了，他的煌煌巨著《光学》一出版，波动说几乎已是摇摇欲坠。

牛顿问：如果光是一种波，他遇到障碍物时，为什么没像声波一样绕开呢？牛顿认为在白光中已经存在了各种色，白光可以说是不同色的各种微粒的混合体。在他的色散实验中，棱镜把它们各自分开了。

关于折射现象，牛顿的解释是，根据力学理论，由于玻璃的粒子所发出的力作用在光的粒子上，所以光的方向才会发生改变。

但是牛顿粒子理论也有自已的破绽，他没法很好的解释衍射中出现的种种现象，也没法回答两束光交差碰撞时，为什么没有因碰撞而改变方向。

甚至他发现的牛顿环，还为他摆上了一个乌龙。牛顿环是一种光的干涉图样。1657年，由牛顿首先进行了定量测量。平凸透镜与玻璃平板组合时，用单色光照射透镜与玻璃板，可以观察到一些明暗相关的同心圆环。这个衍射现象是波动说的有力证据。但是当时牛顿却用微粒说去勉强的解释。

牛顿环

虽然牛顿的微粒说还有很多不完备之处，但是，那时的牛顿已经是出版了《原理》的牛顿，他已经发明了微积分、还是国会议员、铸币局的局长和英国皇家学会主席。

这些光环，让牛顿的微粒说，成为了整个18世纪的主流理论，波动说几乎是处于被动挨打的局面。

正当微粒说沉浸于水月静好，唯我独尊之时，半路杀出个程咬金。这个人就是托马斯.杨。他做了个著名的实验，就是杨氏双缝干涉实验。这个实验在2002年，曾被《物理世界》评为十大经典物理实验并且排名第一。

托马斯.杨

当时因为没有激光，杨是用蜡烛来做这实验的。就是在一个遮挡板的中间开两条缝，让烛光透过两个缝隙之后，打在后面的屏幕上，会形成一片非常漂亮的明暗相间的条纹。

双缝干涉实验

这些明暗相关的条纹的形成，我们可以从水波中理解，在平静的湖面上于不同的地方扔两个小石块，形成的两个水波扩散开来，当这两个水波相遇时，波峰和波峰重叠，就会形成更大的波峰，当波峰和波谷相遇，就会相互对消。这个现象就是波的“干涉”。

水波干涉

那么光通过两条缝也能形成这个明暗相间的干涉条纹，证明光是一种波。这个就成为光是一种波的最有力证据。杨于1803年发表了他的论文报告，阐述了如何用光的干涉效应来解释牛顿环和衍射的现象，还计算出了波的长度。

杨氏双缝实验之后，菲涅尔再次用他的理论解释了光的衍射现象。支持微粒说的泊松并不相信菲涅尔，他认为按菲涅尔的理论，当光照射在一定大小的圆盘上时，会在后面的光屏上出现环状的衍射条纹，并且在圆心处出现一个亮斑，这是不可思议的！

菲涅尔

然而，这个实验真的被阿拉果做了出来，他用单色光照射在宽度小于光源波长的小圆盘上时，真的会出现互为圆心的衍射条纹，并且在圆心处有一个亮斑。

泊松亮斑

事实面前泊松哑口无言，在微粒说方面，牛顿环本来就自摆乌龙，泊松这次又在自已的球门踢进了一球。

波动论方太高兴了，为了记下泊松这个大功劳，慷慨的把这个现象称为“泊松亮斑”。

波动说这个时期似乎吃了灵丹妙药，支持它们的实验一个接一个，势如破竹。

菲涅尔假设光是一种横波（惠更斯当时认为是纵波），就是象水波那样，波振动的方向和传播的方向是垂直的。而纵波就象声波，波振动的方向与传播的方向一致。菲涅尔的横波理论解决了当时波动说中存在的“光的偏振”问题。

傅科通过实验又证实了光在水中的速度小于真空中的速度。按微粒说理论，光在水中的速度比真空中的速度快。傅科的这个发现，简直是判了粒子说的死刑。

1856年，麦克斯韦发表了他的第一篇电磁理论，并于1873年出版了他那著名的《电磁通论》一书。从此，波动说几乎就奠定了它的统治地位了。

麦克斯韦的电磁理论认为，光就是一种电磁波，它是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。电和磁（电磁波）可以似波一样在真空中传播而不需要任何介质，并且可测算出电磁波的速度和光速一样。

麦克斯韦

1888年赫兹通过实验发现了电磁波，证实了麦克斯韦的理论。光是一种波的理论至此取得了决定性的胜利。但是，波动说的胜利还是个暂时性的胜利。20世纪初的1905年，爱因斯坦终于出手了！

爱因斯坦是怎么出手的？下一篇量学力学的诞生我们再说。请关注酱子聊科学。

,