尚知之美——成林带你领略人类探索光之历史

适逢尚知讲堂一年四度之开讲，物理狂热爱好者李成林登上讲堂，带我们走进了人类探索光的本质的物理学历史——

对于光的本质的探索，其实粗线条来讲，有4000年到5000年左右的历史，而出于科学角度的，对于光的本质的猜想，大概有1000年左右。

这1000年我大致分成了三个部分，分别是第一次波粒战争，第二次波粒战争和第三次波粒战争。为什么叫作波粒战争呢？那么接下来我们将引入波和粒子的概念。

自古以来，人们对于光的本质的讨论就分为两个门派，一个叫波动派，一个叫粒子派。

顾名思义波动派就认为光是一种波，而粒子派则认为光是一种粒子，那么粒子学说存在的比较古远了，早在古希腊时期，人们就认为光是一种粒子。什么叫光是一种粒子呢？他们认为光就和现在我们所处环境中大部分的物体是一样的，都是微粒组成的，例如水是由H2O分子组成的,铁是由Fe原子组成的等等，著名数学家笛卡尔在他的《方法论》里曾提到这么一句话：光是一种压力，大家都知道什么东西会有压力，只有石头砸在你身上的时候，你才会感觉到压力，而我现在说话的时候，你是感觉不到我的声音有压力的，所以他其实再说光是一种粒子。而波动说认为光不是一种简单的粒子，而是由于介质振动而产生的播。那么分歧必然就会产生了，毕竟波和粒子是没有任何交集的。那么接下来这两波人的战争，必定精彩万分。

接下来我们进入第一次波粒战争。

第一次波粒战争发生在18世纪的英国，这一切的开始，那都是由于一个叫波义耳的人对光的颜色的形成提出疑问，他认为光具有颜色，那一定有他有颜色的道理，那他到底是因为什么有的颜色呢？？

当然，当时已经有人提出了这个问题答案，它叫格力马第，光为什么会有颜色呢？是因为光在传播时具有特定的频率，而特定的频率就会造成他具有特定的颜色。这其实跟我们现在的理论差不多的，因为我们在区分可见光和不可见光的时候就是根据光传播的频率的不同，我们都知道红外线的频率也许就会低一些，而紫外线的频率也高一些，然后在他们中间就有一段光是可见的。大家都知道频率其实一个描述波的性质的物理量，又说明了格力马第同志其实是一个波动派的人。

当然，历史舞台上并不只有波动派的人在发表想法，其中有一个人，他叫艾萨克牛顿。

牛顿在当时时间线上也就是一个20岁左右的年轻小伙，它当时在家乡躲避一场瘟疫。

闲暇之余，他就做了一个实验，就是我们熟悉的光的色散实验。大致描述了这样一个场景：一束太阳光在通过三棱镜时，会被折射成三种不同颜色的光。牛顿在写实验报告时对这件事情发表了自己的看法，写得非常的保守，他认为太阳光有可能是由各种颜色的光粒子组成的，但并不确定。

而一个人的出现，让牛顿的思想彻底的改变了。这人就是著名的胡克先生。

他作为英国皇家学会的会长每天任务其实就是阅览大量的文章，其中他要读到了牛顿这篇文章，在他的眼里看来，其实光是一种波动啊，在他的一本著作――《显微》中提到了光是一种脉冲，脉冲，就和我们现在所说的波是一样的。

当时的胡克呢，其实也是出于好心，想给这位年轻人提点意见就给她写了一封信，在信中提到了其实光并不是一种微粒，就是这样，委婉中带着一丝丝嘲讽话语。让当时的牛顿心态瞬间爆炸。对于天才牛顿来说，批评是不可能存在的，也一定不存在，而牛顿却接受到了这样的批评。牛顿自小以来只被冠以天才的头衔，所以在当时的牛顿看来，这种批评是对她内心尊严的冲击。

从那个时候开始，牛顿下定了决心，光是一种粒子。

为什么牛顿会如此的坚持光是一种粒子呢？原因很简单。因为胡克说光是一种波，牛顿跟他磕上了。

他洋洋洒洒的列下了一大堆的数学推理证明光是一种粒子，在同时也不忘提到胡克，据不完全统计，在那篇论文里提到了胡克从开始的敬词，叫他“胡克先生”到了最后“你这个胡克”，出现了不下20次。

在这场口舌之战进行激烈的时候，另外一个人出现了。它叫做惠更斯。他是波动王国的功臣之一。

为什么说它是功臣呢？因为他为波动王国写下了第一本波动学理论著作叫做光论。在功能这本书中，惠东斯对这种方解石晶体的双折制现象和牛顿提出来的牛顿环不出来解释并加以理论证明，证明光是一种波。

当时牛顿可是气坏了，在那个时间点的牛顿的。已经当上了英国皇家学会的会长。

那么前一任会长，胡克去哪里了？牛顿当上会场后，第一件事。就是把胡克除掉。他当时把胡可一切手稿，画像，笔记全部烧掉，全部烧掉。

第二件事就是为他的粒子王国写下第一本理论著作《光学》。在这本书中，牛顿提出了如果光和声音同样是波，为什么光无法像声音一样绕开障碍？并且波的传播需要介质，通过实验光可以在真空中传播。这一句话，让当时波动说的人哑口无言。就算有人想反驳他，也不敢反驳，因为他们之前的首领胡克同志就是因为反驳驳而惨死在伦敦的。

就这样，在牛顿的光辉照耀下第一次波粒战争粒子学说取得胜利。

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当然，好景不长，几十年之后，牛顿就去世了，而粒子学说中的首领去世了却没有人能代替他的位置。

原因很简单，牛顿在做原理解释的时候，运用的是粒子理论，并且运用了大量的数学原理，以及他所发明的微积分，而在当时，如果牛顿去世，是没有人能够把它的思维完美的复刻下来的。导致了粒子帝国高大的城墙之内，其实是虚无的。在这种情况下，往往需要另外一拨人将城墙推倒，建立新的政权。

那我们就来介绍一下第二次波粒战争：

几十年之后，又一个天才诞生了，他叫托马斯杨，当时人们对他的评价什么托马斯杨的天赋不亚于牛顿，这样一个天才的出现，足以推动历史的发展。

这里面就得有讲到一个现象了，这个现象就是我们大家非常非常熟悉的双缝干涉实验。

也许他听到双缝干涉这个词的时候，会想到量子力学。但是这里我在讲的双缝干涉呢，并没有那么量子，还算比较的基础浅显，大家也许没有见过双缝干涉，但你绝对见过单缝干涉。

在我们的卧室里，在睡觉之前把门关上，留一点小缝，外面的光，透过这个门缝进来之后就在地板上映射出一些光纹，并且最中间的光纹一定是最亮的，并向两边正态递减分布，这其中，体现了光的粒子性。就像打水弹一样，水弹打在墙上会出现从里到外由深及浅变化的现象，这是一种完美的粒子性质，而双缝干涉却不一样。

大家从图中就会看出来：光通过两条缝之后的偏折现象和单缝是不一样的，因为光通过两条缝之后在墙上打出的光纹是呈周期性分布的。光纹明暗交错分布。这是一种完美的波动性大都知道波在传播的时候一定是有周期性的。

当然，牛顿在光学这本书中也对这个现象作出了自己的理解。他用了微积分等知识，在对这件事情推倒的时候，光是数学推导就用了21页的篇幅。更何况那些物理理论的层层推理。托马斯杨却认为这件事情是有瑕疵的。为什么我们就不能把它想得更加简单一些？为什么光就不能是一种波动？

托马斯杨就用了波动的知识对这个现象进行了解释。

接下来，我们用一个概念叫做波的叠加。大家都知道代数是有相加法则的。矢量也有其对应的相加法则。波也有对应的相加法则。道理非常简单，两个性质特点完全相同的波他们叠加之后就会波峰变为原来的2倍，而两个性质特点完全相反的薄，那么它们叠加之后播就会被抵消。

道理其实非常好理解的，就像荡秋千，秋千摇到最高点的时候，给予它一个向下的力，那么秋千会摇得更高，秋千如果摇到最低点后给他一个反方向的力，那么秋千就会停下来。

托马斯杨就是用这样的一个理论来解释双缝干涉假设光是一种波。我在经过单缝的时候，并不会像粒子一样，而是继续进行蔓延形成一些涟漪。而此时，这两条缝就相当于两个新的光源。而两个新的光源在发出光的时候，难免会有一些交集。在交集当中难免会出现第一种情况样的波的能量更大，也就会让光更亮。难免会出现第二种情况使波和波的能量相互抵消，使光更暗。最后就出现这样明暗交替的现象。

托马斯杨对这个现象新颖的看法，并没有得到大家的认可，毕竟当时的官方思想，就是光是一种粒子，而光是一种波的言论在当时来看就和现在的反动言论是一样的。是会被众人排挤的。所以啊，这阵风波也是消停了一阵。

当然，真理永远不会被埋没。

接下来过了大概三四十年，粒子学说也意识到了自己的统治地位马上就不保了，他们现在需要新生力量。所以就在法国举办了这么一个征文大赛，题目为利用精密的实验，确定光的衍射效应，以及推导光线通过物体附近的运动状况。

这其实就是在探讨双缝干涉实验。当时的评委呢，都是坚定的粒子学说的拥护者。他们想通过这次征文大赛找到一些能够和托马斯杨相抗衡的人。

事与愿违，在这次征文大赛中出现了这么一个人，他叫菲涅尔，他当时用光是波动的观念，并以严密的数学推理解释了光的衍射问题。

当时评委席上有一个人叫做泊松。他是坚定的粒子学说拥护者，他看到这样子的征文的时候，他的脸都被气歪了。当时的泊松顶着被气歪的脸冲着他旁边心灰意冷的评委说：我现在就证明光是一种粒子，而不是一种波。

于是他找了一个光源，并找了个圆形不透明的塑料板，他将光源放在塑料板的圆心的水平延长线上。后方放上一块光屏来接收这个影子。这个实验结果相信大家是可以预料到的。在光屏上会出现一个更大的圆形的黑影。而我们意料不到的就是在这个黑影的中间，居然有一个光斑，这就是著名的泊松光斑。

如果光是粒子的话，在通过这种不透明的物体时，光会被阻挡住而导致通不过物体。而现在，在黑影中间圈出现了光斑，就说明有光运动到了影子的中间。是粒子学说解释不了的事情。波动学说，却能非常完美的解释她。如果光是一种波，再通过这种物体边缘的时候，一定会产生涟漪，就相当于光在边缘拐了一个弯儿，而到了黑影的中央。此时泊松已经被气歪的脸上又被狠狠地打了两巴掌......

在粒子帝国的围墙千疮白孔的时候，有一个人给这面围墙踹上了致命的一脚，这个人叫做傅科。

他设计了一个实验，非常完美的测出了真空中的光速，就是下面这个实验图。

原理比较复杂，大概就是通过平面镜的的转速来推算出光的传播速度，当时又在水里做了一个实验，发现水中的光速是真空中光速的3/4。这与粒子学说的观点可就一点也不一样了，粒子学说认为如果在水中可以测得出光速的话，一定是真空中光速的百分之一到千分之一。

此时粒子帝国近乎完全崩塌，波动说取得了这次波粒战争的胜利！

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此时的波动书虽然胜利了，但他们还有一个问题没有解决，就是光的传播介质这个问题。

根据当时相应理论的分析，如果一个介质可以传播速度为3×10⁸m/s的光，那么，这个物体将比自然界存在最硬的物质金刚石还要硬上十倍到100倍。

最恐怖的是，这种物质还要在空气中随处可见，这就意味着我们在跑100米的时候，将会被这种介质刮花脸的。甚至打穿心脏，想一想就非常的恐怖了。当时的物理学家对于他也给出了一个解释说这种物质呢在空气中存在非常的稀薄啊以至于对人的生活并没有什么影响。其实就有一些强词夺理了。

在1900年，科学界又有了大事件，在阿尔伯马尔街皇家研究会所报告会上。当时物理学界的领头人，开尔文爵士在报告会上演讲。

他当时原话大概是这样的：今天的物理学，就像一栋富丽堂皇的高大的建筑物一样。坚不可摧。经典物体运动可以根据牛顿的运动定律，电磁学，可以根据麦克斯韦的电磁学方程。但是，在这座高楼上，依就有两朵小小的乌云。

当时的人没有想到就是这两朵小小的乌云，将富丽堂皇的物理大厦劈的粉身碎骨。

一朵乌云，那就是迈克尔逊莫雷实验。

迈克尔逊和莫雷是两个人，当时他们接到了上级的指令。要对以太这种东西进行研究。其实那就是想让这两个人证明一下以太森林的存在。

于是两个人设计了这样一个实验。当时有一个圆形的圆盘，在圆盘中央的是一个光源，在圆盘上方的是反光镜a在圆盘右方的是反光b。大家可以想象一下，在这样的一个情况中如果光源发出光经过反光镜反射再回到光源的位置。两束光所需要的时间，是相等的。介质和波的相对运动是会影响波的传播速度的，所以如果这个装置处于运动的状态的话。也就是以太相对于光来说，他在运动。那么处于水平位置的光和反光镜b的运动将会被影响。导致时间会有变化。而竖直放置的反光镜a和光因为在竖直的方向没有相对运动，所以来往时间和第一次做实验的时间是一样的。用时间差就可以计算出以太的相应性质。

但是神奇的事情就发生了，两个人在不断做实验的过程中发现。上面说的两个过程出现的时间差几乎为零。也就是运动对光的传播没用影响。换句话说，也许空气中就没有以太。

当然，他们两个不能拿着这样的结论，回去见他们的上司，因为这是和当时的科学理论是相违背的。所以他们不断使实验更加精确，随着实验精确度提高，时间差越来越小，更加肯定了以太的不存在。

第二朵乌云就是黑体辐射。

这个概念也许大家会比较陌生。其实这个概念非常简单，也是就是黑体和辐射。

什么叫做黑体，对于黑体的定义方式，其实有很多种，接下来我就会挑我最喜欢的一种。大家可以想象在大家面前有一个球壳，在球壳的边上打上了一个非常小的小孔。小孔小到什么程度呢？它只允许一小份光通过这个小孔，大家可以想象，现在我们正对着小孔打入一小份光，这个光会从小孔进入，从球壳的那边进行反射，再从小孔射出。如果我不是正着打入的，而是斜着打入的话，那么这个光会通过小孔进入球壳内进行无数次的反射，但是他就不会从小孔再次射出。而此时，我们再看小孔的时候，就是绝对的黑色，因为没有任何光从小孔反射到眼睛当中。这就是黑体的定义。

当然世界上没有这么黑的黑体。就连我们所说最黑的黑洞，根据霍金的理论也会反射出些许的光，所以我们只是把近似于这种黑度的物体叫做黑体。

我们都知道，物体在接受到能量的时候，总是会向能量最低的趋势发展。所以黑体的接受到光的照耀后，虽然很少都会把光进行反射。但仍会释放出能量，只是一种不同的形式，我们把它叫做热辐射。就这样的一个过程，我们就管他叫黑体辐射。

大家也都知道热辐射其实是一种不可见光的辐射。从本质上来说也是光的传播。对于这种传播，曾经有两个人提出了黑体辐射函数。一个人叫做维恩，一个人叫做瑞利。

大家可以看到这两个公式十分的复杂。不过没有关系，物理的优势就在于我们不必深究公式的解法，只需要了解公式内涵就行。

维恩推导他的公式的时候是以玻尔兹曼运动粒子为基础推导函数公式。而瑞利是以经典电磁波为基础，建立了函数关系。此时戏剧性的一幕出现了。维恩公式，只在短波范围内有效。瑞利公式，只在长波范围内有效。就像这张图一样：

大家可以看到，实线就是实验观测到的结果。而前面的虚线与实线的重合则表示了维恩公式在短波范围内是正确的，后面的实现与虚线重合，则表现了瑞利公式在长波范围内是正确的。也许一个初中生都知道，面对这样的情况，我们只需要画一个大括号，将两个公式联立起来，作为一个分段函数。虽然在数学上行得通，但是在物理里，这显然是不行的。因为这两个公式的出发点，一个是以光为粒子，而另外一个是以光为波。在科学家无路可寻时，有一个人出现了，他就是普朗克。

当是的普朗克见到这两个公式，运用了一定的数学知识，将两个函数合并在一起，提出了普朗克黑体辐射公式，这个公式，惊人的吻合实验结果。

但是普朗克自己明白，虽然在数学上可以这么做，但是在物理上，这么做的前提就是光既是粒子又是波，这在当是看来，显然是不成立的。

普朗克决定运用统计力学的知识，引入熵和几率，发现了公式背后的含义――必须假定，能量在发射和吸收时，不是连续不断的，而是分成一份一份的。也就意味着，能量的传播，不是想经典力学描绘的那样具有连续性。而是像上楼梯一样，假如有10阶楼梯，一阶楼梯0.5m，我可以说我上了1m，2m。但不能说我上了2.1m，因为人不能上1/5个楼梯，光也是这样。而这一小份能量，就命名为光量子，简称量子。数学表达式为：E=hv。单位能量子的能量只与光的频率有关。

当然，这样的理论在当时是十分标新立异的，而普朗克还是一个保守物理学家，所以这个理论就被搁置了一段时间，不过，是金子总会发光，正确的理论，也永远不会被埋没。接下来，有一个重量级的嘉宾登场了，他就是爱因斯坦。

他当时大学毕业，在瑞士专利局工作，在工作时无意间发现了这样一个现象，叫光电效应。

现象大致是这样的。在我们的手里有一个手电筒和一块金属板。你强光手电筒在照耀金属板的同时，用仪器检测金属板外部的情况。会发现，从金属板当中会跳出很多电子。这是因为电子是接受原子核的束缚的，而电子如果达到一定能量之后会摆脱这种束缚。而光恰好给电子传输这种能量。让电子摆脱束缚，弹射出来。这就是光电效应。

当时，根据麦克斯韦方程。光的频率越大可换出的电子越多。波强越大，可更容易换出电子。这其实很好理解。

假如在我面前有一大堆的零食。规则是这样的。在规定时间内，我用手把零食往回拿。规定一次只能拿走两个零食。那么是不是我跑的越快就可以拿出零食越多呢。就像光的频率越大，就可以换出更多的电子一样。波强越大更容易换出电子。

好像现在在我面前的是五吨黄金。我拿双手是搬不走的。那我可以开来一辆挖掘机。将它搬走。这其实就说明了波强越大，更容易换出电子。但是，上天就是那么喜欢捉弄别人。实验测得的结果却与结论恰好相反。实验结果是。光的频率越大可更容易换出电子波强越大可换出的电子越多。这是麦克斯韦方程无法解释的。

爱因斯坦就像是上天派来给予我们正确答案的使者一样。他独特的眼光瞬间就瞄到了普朗克写的论文。他在想是不是引用光量子这个概念会更好地解决这个事情呢。

接下来，爱因斯坦引入光量子的概念。因为光的频率越大单个量子所具有的能量就越高。光更容易换初电子。而光的强度越大，所带的量子就越多。必然，可换出更多的电子。于是，爱因斯坦提出了光电效应方程。并夺得了1921年的诺贝尔物理学奖。

当然，现在只能说明光量子的概念不是错误的。但光到底是什么呢？

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就下来就要说下一个人物，他叫康普顿，是物理学界的宗师级别的人物。

他在做X光折射实验时，发现了一个奇怪的现象：

在图中，X射线管其实就是发射X射线的光源。X射线管发出光后，通过光阑的过滤。笔直的打入石墨体中。出现折射现象。但是出人意料的事情发生了。

按理来说，光通过折射，虽然传播路径会改变，但光的本身性质是不变的。在图中大家可以看到，光折射之后，波长也发生了改变。这又是经典理论无法解决的。

当时康普顿决定效仿爱因斯坦，引入光量子概念。在微观世界中，X光看做一小份一小份的光量子。光量子再进入碳原子的过程中。会与电子发生碰撞。之后，光量子的能量会传递在电子。导致电子的能量足够使他脱离原子核的束缚。而光量子自身能量减小，导致频率随之减小。而波长也就随之增大了。

这说明了光量子不仅具有自身的能量，还具有动量。体现出粒子性质。

也就是说：在最后，光不仅体现了它的粒子性质，还体现出了它的波动性质！

于是，爱因斯坦下结论。光具有波粒二象性！

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在此时，这个结论给第三次波粒战争画上了好似完美的句号。

为什么说好似完美，因为在第一二次波粒战争中，也有相应的结论画上相应的句号，但并不完美，毕竟完美的话，就不会出现之后的事情了。

只能说第三次波粒战争结束了，其实人们对于光的探索，我认为还远未结束。

这一千年的探索历程，只是众多科学研究中的一个映射，现在的理论体系是无数位科学前辈一砖一瓦堆砌的，不仅只有前面提到的，还有许多默默无闻的科学家，将自己的一生奉献在了科学事业中。

生活也是如此，人生道路多坎坷，在经历坎坷时，不碰几个壁，怎么知道这条路是不是正确的呢？

主讲人介绍：

李成林，现就读于天津市塘沽一中高二年级一班，中考以优秀成绩入校并在高一一班担任班长及物理课代表，平日热爱物理，精通数学，各项成绩优秀，思维清晰，见解独特，屡次在物理学科考试中斩获满分成绩。

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