奥林巴斯显微镜光是粒子还是波？

可见光的确切性质是几个世纪以来困惑人类的一个谜团。来自古代毕达哥拉斯学科的希腊科学家假定，每个可见物体都会发出稳定的粒子流，而亚里士多德认为光的传播方式类似于海洋中的波浪。即使这些想法在过去20个世纪中经历了许多修改并发生了相当程度的演变，但希腊哲学家所确立的争端的本质至今仍然存在。

一种观点认为，自然界的波浪般光亮，产生的能量穿过空间的方式类似于在落下的岩石扰动后在静止的池塘表面蔓延的波纹。相反的观点认为，光由颗粒的稳定流组成，非常像从花园软管喷嘴喷出的小水滴。在过去的几个世纪里，意见一致已经动摇了一段时期的观点，只有被另一个观点推翻。只有在20世纪的头十年里，收集到足够的令人信服的证据才能提供全面的答案，令每个人惊讶的是，两种理论都证明是正确的，至少部分是正确的。

在十八世纪初期，关于光的性质的争论已经将科学界变成了分裂的阵营，他们在他们喜欢的理论的有效性上进行了激烈的斗争。一群赞同波浪理论的科学家把他们的论点集中在荷兰人克里斯蒂安惠更斯的发现上。对立的阵营引用艾萨克牛顿爵士的棱镜实验来证明，光作为粒子的阵雨传播，每个粒子都以直线前进，直到被折射，吸收，反射，衍射或以某种其他方式干扰为止。虽然牛顿本人似乎对他的粒子有疑问 关于光的本质的理论，他在科学界的威望如此之重以至于他的提倡者在他们凶猛的战斗中忽略了所有其他的证据。

惠更斯的光折射理论基于光的波状性质的概念，认为任何物质中的光速与其折射率成反比。换句话说，惠更斯推测，光线被物质“弯曲"或折射的越多，在穿过该物质时它会移动得越慢。他的追随者得出的结论是，如果光由粒子流组成，那么会出现相反的效果，因为进入密度较大的介质的光将被介质中的分子吸引，并且速度增加而不是减小。尽管这个论点的完美解决方案是测量不同物质，例如空气和玻璃中的光速，但是该时期的装置不能胜任。无论其通过的材料如何，光似乎都以相同的速度移动。超过150年过去了，光速可以用足够高的准确度来测量，证明惠更斯理论是正确的。

尽管艾萨克牛顿爵士享有盛誉，但1700年代初期一些杰出的科学家并不同意他的粒子理论。一些人认为，如果光线由粒子组成，那么当两束光线交叉时，一些粒子会相互碰撞而产生光束偏差。显然，情况并非如此，所以他们得出结论，光不能由单个粒子组成。

惠更斯，他所有的直觉，在他1690的论文建议TRAITE德拉卢米埃光波通过调解的空间旅行醚，这是一种神秘的失重物质，作为整个空间和空间中的无形实体存在。寻找在十九世纪期间消耗了大量的资源，后才被安息。以太理论持续至少直到19世纪末，正如查尔斯惠特斯通提出的模型所证明的，该模型证明了以太垂直于光传播方向的角度振动了光波，James Clerk Maxwell的详细模型描述了无形物质的构造。惠更斯认为，以太在与光相同的方向上振动，并在携带光波时形成一个波。在后面的一本书中，惠更斯原理巧妙地描述了波浪上的每个点如何产生自己的小波，然后将它们加在一起形成波前。惠更斯利用这一思想为折射现象提供了详细的理论，并解释了为什么光线穿越路径时不会碰撞到彼此。

当光束在具有不同折射率的两种介质之间传播时，光束经历折射，并且当它从媒体转到第二媒体时改变方向。为了确定光束是由波还是粒子组成，可以设计一个模型来解释这种现象（图3）。根据惠更斯波动理论，在前面的其余部分到达界面之前，每个角度波前的一小部分应该影响第二介质。该部分将开始移动通过第二介质，而其余波仍在介质中传播，但由于第二介质的较高折射率将移动得更慢。由于波前现在以两种不同的速度传播，它将弯曲进入第二种介质，从而改变传播角度。相反，粒子理论有一个相当困难的时间来解释为什么当粒子从一种介质进入另一种介质时光的粒子应该改变方向。该理论的支持者认为，一个垂直于界面的特殊作用力会在粒子进入第二种介质时改变粒子的速度。这支的确切性质留给了猜测，并没有收集证据证明这一理论的证据。

这两种理论的另一个*的比较涉及当光从平滑的镜面反射时发生的差异，例如镜子。波浪理论推测，光源发出的光波在所有方向上传播。在撞击镜面时，波会根据到达角度反射，但是每个波都会反转到前面以产生反转图像（图4）。到达波的形状强烈依赖于光源离镜子多远。来自近光源的光仍然保持球面高度弯曲的波前，而从距离源发出的光线将更多地传播，并以几乎平面的波前影响反射镜。

就反射现象而言，光的粒子性质的情况比折射的情况要强得多。由光源发出的光，无论是接近还是远，以粒子流的形式到达镜面，其从光滑表面弹开或反射。因为粒子非常小，所以传播的光束中有很大数量的粒子，它们并排地靠在一起。在撞击镜面时，粒子会从不同的点反射回来，所以它们在光束中的顺序在反射时会反转，产生一个反转的图像，如图4所示。粒子和波浪理论都充分解释了光滑表面的反射。然而，粒子理论还表明，如果表面非常粗糙，粒子会以各种角度反弹，散射光。这个理论非常符合实验观察。

当粒子和波遇到物体的边缘并形成阴影时，它们的行为也会有所不同（图5）。牛顿很快在他的1704本书“光子"中指出，“光从来不知道会跟随弯曲的通道，也不会弯曲到阴影中"。这个概念与粒子理论是一致的，它提出光粒子必须总是以直线行进。如果粒子遇到屏障的边缘，那么它们将投射阴影，因为未被屏障阻挡的粒子以一条直线继续，并且不能在边缘后面散布。在宏观尺度上，这一观察结果几乎是正确的，但它不符合从小得多的光衍射实验获得的结果。

当光线穿过狭窄的狭缝时，光束扩散并变得比预期的宽。这一基本重要的观察结果为光波理论带来了大量的可信度。像水中的波浪一样，遇到物体边缘的光波似乎围绕边缘弯曲并进入其几何阴影，这是一个不直接被光束照射的区域。这种行为类似于缠绕在木筏端部的水波，而不是反射。

在牛顿和惠更斯提出他们的理论近一百年后，一位名叫托马斯扬的英国物理学家进行了一个强烈支持光的波浪性的实验。因为他相信光是由波组成的，所以杨认为当两个光波相遇时会发生某种类型的相互作用。为了检验这个假设，他使用了一个包含一个狭窄狭缝的屏幕，从普通太阳光中产生一个相干光束（包含相位传播的波）。当太阳光线遇到狭缝时，它们散开或衍射产生单个波前。如果允许该前端照亮具有两个紧密间隔的狭缝的第二个屏幕，则产生两个额外的相干光源，完美地彼此分步（见图6）。光线从每个狭缝行进到两个狭缝中间的一个点上，应该*按步骤到达。由此产生的波浪应该相互加强以产生更大的波浪。但是，如果考虑中心点任一侧的点，则来自一个狭缝的光线必须行进得更远才能到达中心点另一侧的第二个点。从距离第二点较近的狭缝发出的光将在远处的狭缝发出光线之前到达，这样两个波会彼此不同步，并可能相互抵消而产生黑暗。

正如他怀疑的那样，扬发现当第二组狭缝中的光波散开（或衍射）时，它们相遇并重叠。在某些情况下，重叠将两个波*组合在一起。但是，在其他情况下，光波彼此稍微或*失步地结合。年轻人发现，当浪潮相遇时，他们通过被称为建设性干涉的过程加在一起。不合时宜的浪潮将相互抵消，这种现象被称为破坏性现象干扰。在这两个之间，会出现不同程度的相长和相消干涉，以产生具有宽幅振幅的波。Young能够观察到放置在两个狭缝后面一定距离处的屏幕上的干扰的影响。被衍射后，通过干涉重新组合的光沿屏幕长度产生一系列明亮和黑暗的条纹。

尽管看起来很重要，但当时杨的结论并未得到广泛接受，主要原因是对粒子理论有着的信仰。除了他对光干涉的观察之外，Young还假定不同颜色的光由不同长度的波组成，这是当今被广泛接受的基本概念。相比之下，粒子理论提倡设想，各种颜色来自具有不同质量或以不同速度行进的粒子。

干涉效果不限于光线。水池或池塘表面产生的波浪会向四面八方蔓延，并发生相同的行为。两个波在一起相遇时，它们将通过相长干涉相加在一起以形成更大的波。碰撞不合拍的波浪将通过破坏性干扰相互抵消，并在水面上产生水平表面。

仔细检查交叉偏振片之间的光束行为时，发现了更多的光波状特征的证据（图7）。偏振滤光片具有*的分子结构，只允许具有单一取向的光线通过。换句话说，偏振片可以被认为是一种特殊类型的分子威尼斯百叶窗，其具有在偏振材料内沿单一方向取向的微小排条状板条。如果允许光束撞击偏振器，则只有平行于偏振方向取向的光线能够穿过偏振器。如果第二偏振片位于偏振片的后方并沿同一方向取向，则通过偏振片的光也将通过第二偏振片。

但是，如果第二偏振器以小角度旋转，则通过的光量将减少。当第二偏光片旋转使得取向垂直于偏光片的方向时，则通过偏光片的光线将不会穿过第二偏光片。这种效应很容易用波动理论来解释，但是没有对粒子理论的操纵可以解释第二偏振器如何阻挡光线。事实上，粒子理论也不足以解释干涉和衍射，后来发现该效应是同一现象的表现。

偏振光观察到的效应对于光由横向波组成的横向波的概念的发展至关重要，该横向波具有垂直于传播方向的分量。每个横向部件必须具有特定的定向方向，使其能够穿过偏振器或被偏振器阻挡。只有横向分量与偏振滤波器平行的波才会通过，其他所有波都会被阻挡。

到了19世纪中叶，科学家们越来越相信光的波浪般的特征，但仍然存在着一个咄咄逼人的问题。究竟是什么光？英国物理学家James Clerk Maxwell发现，所有形式的电磁辐射都代表连续光谱，并以相同的速度通过真空，每秒186,000英里。麦克斯韦的发现有效地钉住了粒子理论的棺材，到了20世纪初，似乎光和光学理论的基本问题终于得到了回答。

19世纪80年代末，科学家*发现，在某些条件下，光可以将电子从几种金属的原子上移走（图8），波浪理论的一个重大打击发生在幕后。虽然起初只有一个奇怪的和无法解释的现象，但很快发现，紫外光可以缓解各种金属中的电子原子以产生正电荷。德国物理学家Philipp Lenard对这些观察产生了兴趣，他称之为光电效应。Lenard使用棱镜将白光分解为各种颜色，然后选择性地将每种颜色聚焦到金属板上以排除电子。

莱纳德发现困惑和惊讶他。对于特定波长的光（例如蓝色），电子产生恒定的电位或固定的能量。减少或增加产生的光量会相应增加或减少释放的电子数量，但每个仍保持相同的能量。换句话说，逃离原子键的电子的能量取决于光的波长，而不是强度。这与波动理论预期的情况相反。莱纳德还发现了波长与能量之间的联系：较短的波长产生了具有较大能量的电子。

19世纪初，威廉海德沃拉斯顿发现太阳光谱不是一个连续的光带，而是包含了数百个缺失的波长，为光与原子之间的连接奠定了基础。德国物理学家约瑟夫冯弗劳恩霍夫绘制了超过500条对应于缺失波长的窄线，他们将信件分配给了大的空白。后来发现，间隙是由太阳外层原子吸收特定波长而产生的。这些观察结果是原子和光之间的个联系，尽管当时并没有理解其基本影响。

1905年，阿尔伯特爱因斯坦假设光实际上可能具有一些粒子特征，而不管大量的证据表明波浪性质。在量子理论发展过程中，爱因斯坦数学表明，附着在金属原子上的电子可以吸收特定数量的光（首先称为量子，但后来变成光子），从而有能量逸出。他还推测，如果一个光子的能量与波长成反比，那么较短的波长将产生具有较高能量的电子，这个假设实际上源于Lenard的研究结果。

20世纪20年代，爱因斯坦的理论在美国物理学家阿瑟·康普顿的实验中得到了巩固，他证明光子具有动量，是支持物质和能量可以互换的理论的必要条件。与此同时，法国科学家路易 - 维克多德布罗意提出，所有物质和辐射都具有类似于粒子和波的特性。按照马克斯普朗克的领导，德布罗意推断爱因斯坦有关质量和能量的着名公式，其中包括普朗克常数：

其中E是粒子的能量，m是质量，c是光速，h是普朗克常数，ν是频率。德布罗意的工作将波的频率与粒子的能量和质量联系起来，这对于一个新领域的发展至关重要，该领域终将被用于解释光的波浪状和粒子状特征。量子力学诞生于爱因斯坦，普朗克，德布罗意，尼尔斯玻尔，欧文薛定谔等人的研究，他们试图解释电磁辐射如何显示现在被称为二元性的东西，或者既有颗粒状又有波状的行为。有时光的行为像一个粒子，在其他时候像一个波。这种光行为的互补或双重作用可以用来描述实验观察到的所有已知特征，包括折射，反射，干涉和衍射，以及偏振光和光电效应的结果。综合起来，光的特性一起工作，让我们观察宇宙之美。