光是什么

刘树田

光是什么？这是一个古老而又新颖的问题。古代学者对“光是什么”的答案是十分幼稚的，有的人认为光是从眼睛里射出的特别细的触须，当触须接触到物体时便产生了视觉。还有的人认为光是沿直线高速运动的粒子流，人的视觉就是光粒子进入眼睛引起的。对“光是什么”真正意义上的科学研究是从17世纪开始的，从17世纪到20世纪，历经300多年来探索与争论，人们逐步揭开了“光”的神秘面纱。

粒子说PK波动说，杨氏实验来定夺

17世纪人们对光学的研究取得了较大的进展，形成了以牛顿为代表的粒子说派和以惠更斯为代表的波动说派。在当时情况下，粒子说和波动说是两种对立的理论，两者之间发生了激烈的争论。

粒子说认为光是一种粒子。粒子说能成功解释“光的沿直线传播”和“光的反射”两个现象，这只需与力学中小球的运动类比一下就可以理解了。但粒子说不能解释“光的独立传播”现象。所谓光的独立传播现象，是指几束光交叉的时候互不干扰而保持各自的状态不变。如让一束红光和一束绿光交叉而过，就会发现两者相遇后各自的颜色、传播方向没有任何变化。如果光束是一系列小粒子组成的，那么红光束中的光粒子和绿光束中的光粒子必然因为碰撞而改变运动方向，这样两者交叉后就不可能沿各自的原来方向运动了。

波动说认为光是一种波。波动说能成功解释“光的独立传播”现象，因为所有的机械波都遵守独立传播原理。如两个人在房间里同时讲话，他们的声波决不会因为交叉而变成别的声音，而是保持各自的特征不变。用波动说还可以方便地解释光射到两种物质的界面上时同时发生反射和折射现象。但波动说却不能解释“光的直线传播”现象。因为按照波动理论，波是可以绕过障碍物的，如声波很容易绕过障碍继续传播。但人们却从未看到过阳光绕过人体的现象。

由于当时牛顿崇高的学术威望，粒子说在整个18世纪都压制着波动说。历史的车轮刚驶进19世纪，一个巧妙的物理实验，让波动说枯木逢春，这就是著名的托马斯·杨的光的双缝干涉实验。如图所示是用现代激光做的杨氏实验：让激光射到有双狭缝的挡板上，两条狭缝相距很近。光到达双缝被一分为二，这样就得到了两束振动情况完全相同的光，这两束光在相遇的区域叠加，在光屏上出现奇妙的明暗相间的条纹，这就是光的干涉现象。人们早已知道水波、声波等机械波都能发生干涉现象，既然光也能发生干涉现象，所以光也是一种波！

麦氏提出电磁说，赫兹实验来验证

杨氏实验证明光是一种波，却没有说明是什么波。到了19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出了电磁波的理论，并且从理论上得到电磁波的传播速度与实验测得的光速相同。在这个基础上，他大胆的提出：光是一种电磁波。1888年，德国物理学家赫兹用实验证明了麦克斯韦的电磁说是正确的。至此，人们对光的本性的认识又前进了一大步。

在19世纪，光的波动说可谓春风得意、日臻完善，而粒子说则几乎被人们忘记了。不料“乐极生悲，否极泰来”。19世纪末的一个新现象，给得意的波动说当头一棒！这就是光电效应现象。

光电效应出难题，爱因斯坦巧解惑

把用弧光灯照射锌板，验电器的指针就张开一个角度，表示锌板带了电。进一步检查知道锌板带的是正电。这说明锌板中的一部分自由电子在弧光照射下从表面飞了出去。在光照射下从物体中发射出电子的现象叫做光电效应，如下图。

进一步研究发现：任何一种金属，如果入射光的频率小于某个值，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能发生光电效应。这一现象是不能用波动说解释的。按照波动理论，光的能量由光的强度决定，而强度又由振幅决定，跟频率无关，所以入射光的频率不该是发生光电效应的条件。光的波动说与实验事实矛盾，令人很困惑！

每当已有的理论不能解释新的物理事实时，就意味着物理学理论的革命到来了。爱因斯坦认为，如果把光看成粒子，就可以破解这个难题。他提出：光的发射、传播和接受都是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。光子的能量跟它的频率成正比。既然光是粒子，能量由频率决定，那么光电效应现象就可以圆满解释了。

光的干涉现象证明光是波，光电效应现象又证明光是粒子。光到底是什么？爱因斯坦的回答是：光既是波，又是粒子，即光具有波粒二象性。波动性和粒子性是光同时具有的两个属性，就像一枚硬币的两面。至此，光的本性历经300多年之争，终于以波动说和粒子说握手言和而告一段落。

当然，对光的本性的探索还有许多令人感兴趣的课题，如光子可以再分吗？如果可以再分，它的内部结构如何？等等。总而言之，在光这个最常见、最古老而又最深刻、最丰富的课题上，未来还会有许多新的发现。