物理学史话（一）

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。

麦克尔逊和莫雷用双臂干涉实验证实了”以太”并不存在。有意思的是，虽然”以太”被否定了，但是，惠更斯原理却被发展保留至今，用于解释光的衍射等现象。尽管作为假想的光传播介质”以太”最终被实验所否定了。但是，波动学说从其诞生之后，就被各种陆续的发现所证实。其中，最著名的是托马斯·杨（Tomas Young）于19世纪初所做的双缝干涉实验。在这个实验中，杨让一束自然光通过一张纸上开的小孔（形成点光源），然后再让这束光通过开有两道狭缝的屏障，最终，在双缝后侧的显示屏上得到了明暗相间的条纹。

杨的双缝干涉实验示意图

杨氏双缝实验结果完全可以用波的干涉原理予以解释：明条纹是通过双缝后的两列相干光波振动加强位置，暗条纹是振动削弱位置，并可以根据双缝位置以及缝与屏幕之间的距离计算明暗条纹的位置和宽度等，当两缝到屏幕的距离差等于波长整数倍时，两列光波在此互相加强形成亮条纹，如果是半波长整数倍，两列光波在此互相削弱形成暗条纹。双缝实验给光的波动学说提供了有力的证据，颠覆了过去对光本质的看法，使得波动学说占据上风。此后，虽然在一些方面存在争论，但是证据朝着波动方向发展。及至19世纪70年代，麦克斯韦建立了电磁场理论之后，统一了光和电磁现象，人们认识到可见光只是广大电磁波谱中的一小段。此外，1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，使麦克斯韦电磁理论预言变为现实，光的波动学说也确立了统治地位，似乎可以为光的波粒之争画上了句号。物理学发展到了19世纪后半叶，进入了巅峰时期，因为经典物理的各领域理论相继成熟，包括光、热、力、电、磁都已经形成了成熟的理论体系。甚至有些科学家认为物理学已经完备了，将来只是修修补补使精度更高。据说量子物理创始人普朗克在上大学时，他的导师曾告诉他说，物理学已经没有什么事情可做了，并建议他转学其他专业。

但事实上那时经典物理并非尽善尽美。其实，就在赫兹发现电磁波的实验当中，有一个细节被发现: 就是当有光照射在他的电磁波接收装置上时（接收器是一铜环，环上有个小缺口，缺口的两端有两个的铜球），接收器似乎更容易产生放电火花。

赫兹电磁波验证实验装置示意图。振子充电后与线圈形成振荡电路，对外发射电磁波。当接收器（谐振器）接收到电磁波后，与之发生谐振，于是，在谐振器的两个铜球之间放电形成电火花

赫兹把这个现象写在论文里，不过没有人重视，后来人们将这个现象称之为光电效应，就是一些金属在光的照射下会从表面溢出电子的现象。在光电效应现象中，至少有两点与光的波动理论是不符合的。一是金属被光照射溢出电子的条件，只与光的频率相关而与入射光的强度无关，这个现象无法用波动理论来解释;另一个现象是光电效应的瞬时性，只要光一照射，就立刻有电子溢出。按照波动理论，入射光较弱时需要持续照射一段时间，让电子累积吸收些能量才能逃逸金属原子核的吸引。

直到1905年，爱因斯坦在普朗克之前提出的量子假说基础上（普朗克认为:物质辐射或吸收的能量不是连续的，而只能是某个最小单位的整数倍，只有这样假设，才能完美的解释物体的辐射现象），提出光的量子假说，他认为光波的能量在空间中，也不是连续分布的，而是离散的，一份一份的，每一份能量正比于光的频率（E=hν，h是普朗克常量，ν是光的频率），每一份是一个独立的光子，只能整体被发射或吸收。这下又回到了微粒说，光的波动微粒之争注定没有胜负，直至今日，人们也只能接受光的波粒二象性。可以看到，关于光的本质是什么，从17世纪开始，科学家们争论了近300年，而最后结果竟然不分对错互相妥协了。

【后记】 普朗克提出的量子假说，立刻引起巨大反响，在多个方面获得运用。它不仅解决了黑体辐射难题，而且给困扰物理学家多年的光电效应提供了解决思路，最终由爱因斯坦给出光量子解释，确立了光的波粒二象性;此外，它还解决了一个原子物理难题：当时人们已经认识到，原子由带正电的原子核与带负电的核外电子组成，并且电子绕核运转（卢瑟福核型结构）。但是，根据麦克斯韦电磁理论，变速运动的电荷会发射电磁波，对外辐射能量，这样，电子绕核运转不能持久，最终会因为对外辐射能量而坠落在原子核上，这显然与现实不符合。但是，如果运用普朗克量子假设，则很容易解释:电子虽然绕核运动，但是所产生的能量没达到最小能量子hν的条件（普朗克认为能量只能是hν，2hν、3hν、4hν……），不产生辐射。这样，量子假说又解决了原子模型稳定性问题。

量子物理由普朗克打开了大门，并且成为20世纪物理学中的重要组成部分。