Chapter 1 光的本性之爭：光是粒子還是波？
「量子」這個概念最早源自科學家對光的認識，所以就讓我們從光的性質說起吧。
自古以來，太陽就是人類膜拜的對象，陽光是人類必不可少的生命源泉，但人們對於光到底是什麼卻說不清楚，所以古人只好把太陽當作神靈來崇拜，把太陽作為光明的象徵，也把太陽看作是世界的統治者。
很長一段時間，人類對光的認識只限於某些簡單的現象和規律描述，例如戰國時期的《墨經》，記載了投影、針孔成像等光學現象；古希臘學者歐幾里得在《反射光學》中，論述了光在傳播過程中的直線傳播原理和光的反射定理。
隨著科學的發展，人們終於開始以科學方法研究光，並發現了反射、折射等一些基本的光學現象。到了十七世紀，人們開始研究光的本性，但對於光的性質卻有了水火不容的爭論：牛頓認為光是一種粒子，惠更斯卻認為光是一種波。
1.1 惠更斯的波動說
荷蘭物理學家惠更斯認為：如果光是一種粒子，那麼光在交叉時就會因碰撞而改變方向，可人們並沒有觀察到這種現象，所以微粒說是錯誤的。他認為光是發光體產生振動後，在「乙太」中的傳播過程，並以球面波的形式連續傳播，當時的人們認為「乙太」是充塞整個空間的一種彈性粒子；當然，現在已經證明這是一種子虛烏有的東西。惠更斯認為，乙太波的傳播形式不是乙太粒子本身的移動，而是以振動的方式傳播。
1690年，惠更斯出版了《光論》一書，闡述了他的光的波動原理：
「光波向外輻射時，光傳播介質中的每一物質粒子，不只是把運動傳給前面的相鄰粒子，還傳給周圍所有和自己接觸、並阻礙自己運動的粒子。因此，在每一粒子周圍，就產生以此粒子為中心的波。」
惠更斯在此原理基礎上，推導出了光的反射和折射定律，解釋了光速在光密介質（折射率較高的介質）中減小的原因，同時還解釋了光進入冰島晶石（透明方解石）的雙折射現象（1669年，丹麥學者巴爾托林發現了此現象，透過它可以看到物體呈雙重影像）。
惠更斯的波動說雖然冠以「波動」一詞，但他把錯誤的「乙太」概念引入波動光學，對波動過程的基本特性也說明不足。他認為光波是非週期性的，波長和頻率的概念在他的理論中不存在，故難以說明光的直線傳播現象，也無法解釋他發現的光的偏振現象，惠更斯的光學理論，尚只是很不完備的波動理論。
1.2 牛頓的微粒說
牛頓則堅持光的微粒說，在其做過很多的光學實驗裡，就包括著名的三稜鏡色散實驗。其實這個實驗在他之前已有人做過，不過做得不佳，只獲得了兩側帶有顏色的光斑，而牛頓則獲得了展開的光譜。他還用各種不同的稜鏡以及不同的組合方式，嚴謹地研究了色散現象，所以不少人都認為牛頓是最早發現色散現象的人。
牛頓認為：既然光是沿直線傳播，那就應該是粒子，因為波會彌散在空間中，不會聚成一條直線，最直觀的實驗證明就是物體能擋住光形成陰影，他在1675年12月9日送交英國皇家學會的信中鮮明地指出：
「我認為光既非乙太也不是振動，而是發光物體所傳播出、某種與此不同的東西……可以設想光是一群具有難以想像微小運動迅速、大小不同的粒子，這些粒子從遠處發光體處一個接一個發射，但我們卻感覺不到相繼兩個粒子之間的時間間隔，它們被一個運動本源不斷推進……」
牛頓在1704年發表了《光學》一書，書中論述了關於光的反射、折射以及顏色等問題的實驗和討論，也提到了對於光繞射現象的一些觀察實驗。雖然《光學》一書主要在論述牛頓的微粒說觀點，但他也不得不含糊借用一些波動理論來解釋一些實驗現象。實際上，牛頓在後期的研究中精確地測量了各種色光的波長，但他並不將其稱為波長，而且聲明：
「這是何種作用或屬性，究竟它在於光線或媒質，還是別的某些東西的一種圓周運動或是振動，我在此不予探究……」
由於牛頓和惠更斯都提出了有理有據的論證，但都有一些破綻，所以科學家分成了兩大陣營，對光的微粒說和波動說吵得不可開交。雖然牛頓含糊借用了一些波動論的觀點，但由於他極高的聲望、以及著作中實驗和理論分析的嚴謹性，一時間光的微粒學說占了上風。
1.3 楊氏雙狹縫干涉實驗
一個世紀以後，情況發生了變化。1807年，英國科學家湯馬斯．楊格發表了一篇論文，這篇論文裡描述了他發現的光的干涉實驗：
「讓一束單色光照射一塊屏，屏上開有兩道狹縫，可認為這兩條縫就是兩束光的發散中心；而當這兩束光照射到放置在它們前進方向上的屏上時，就會形成寬度近於相等、若干條明暗相間的條紋……」
這個實驗現在叫做楊氏雙狹縫干涉實驗，是物理學史上最著名的實驗之一。一束光照射到兩道平行狹縫上，如果按照牛頓的光粒子理論，這束光只能在兩道狹縫後的屏幕上照出兩條亮條紋，但實驗結果卻是整個屏幕上都出現了明暗相間的條紋，這不就是波的干涉條紋嗎？湯馬斯．楊格終於找到了支持波動說的有力證據：光從兩道狹縫中通過後，波峰和波峰疊加形成亮條紋，波峰和波谷疊加形成暗條紋。
湯馬斯．楊格成功完成了光的干涉實驗，並由此測定光的波長，為光的波動性提供了重要的實驗依據。
1.4 帕松的烏龍球
楊氏雙狹縫干涉實驗，拉開了光的波動說對微粒說的反擊序幕。1818年，菲涅耳和帕松又發現光在照射圓盤時，在盤後方一定距離的屏幕上，圓盤的影子中心會出現一個光斑。這是光的圓盤繞射，是波動說的又一個有力證據。
當單色光照射在寬度小於或等於光源波長的小圓盤上時，會在後面的光屏上出現環狀、互為同心圓的繞射條紋，並且在圓心處會出現一個極小的光斑，這個光斑被稱為帕松光斑。
帕松光斑的發現說起來還是一段歪打正著的笑話呢！
1818年，法國科學院提出一個徵文競賽題目：利用精確的實驗確定光線的繞射效應。
當時只有三十歲的菲涅耳向科學院提交了應徵論文，他提出一種半波帶法，定量計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的繞射花紋，得出的結果與實驗非常吻合。更令人驚奇的是，菲涅耳竟然用波動理論解釋了光沿直線傳播的現象。
競賽評獎委員會中有著名的科學家帕松，但他當時是堅定的光的微粒說支持者，菲涅耳的波動理論自然遭到了帕松的反對。
帕松希望找到菲涅耳的破綻來駁倒他，於是他運用菲涅耳的理論推導了圓盤繞射，結果導出了一種非常奇怪的現象：如果在光束的傳播路徑上放置一塊不透明的圓盤，那麼在離圓盤一定距離的地方，圓盤陰影的中央應當出現一個光斑。對當時的人來講，這簡直不可思議，所以帕松宣稱，他已經駁倒了菲涅耳的波動理論。
但是另一位評委阿拉戈卻是波動說的支持者，他支持菲涅耳接受這個挑戰。他們立即用實驗，檢驗帕松提出的問題，結果發現：影子中心真的出現一個光斑，這個實驗精彩地證實了菲涅耳波動理論的正確性。在事實面前，帕松啞口無言。
這件事轟動了法國科學院，菲涅耳理所當然地榮獲了這一屆的科學獎。
令人啼笑皆非的是，原本想反對波動說的帕松，竟無意幫了波動說一個大忙，雖然屬於自擺烏龍，但畢竟為波動論進了一球；波動論者也沒有忘記他的功勞，慷慨地把這個現象稱為帕松光斑。不管帕松願不願意，他在後人心目中已經成了波動說陣營中的一員大將。
1.5 光就是電磁波
隨著時間推移，波動說取得了越來越多的證據。英國科學家馬克士威在建立電磁理論時，於1862年就已預見到光是起源於電磁現象的一種橫波，他在相關論文中用斜體字寫道：
「我們很難避免得出這樣的結論，即光是由引起電現象和磁現象的同一介質當中的橫波所組成。」
馬克士威在多年研究的基礎上，於1873年出版了《電磁通論》一書，指出了光就是電磁波！
馬克士威將電磁學裡的四個公式結合，提出馬克士威方程組，明確指出變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，這樣電和磁可以像波（稱為電磁波）一樣，在真空中向前傳播而不需要介質。電磁波彌漫整個空間，以光速傳播，馬克士威同時預測：光就是電磁波。
1879年，馬克士威因病逝世，年僅四十八歲。不少人都喜歡講這樣一個巧合：愛因斯坦正好在1879年出生，莫非冥冥之中二人有什麼連繫？遺憾的是，這樣的謠傳經不起檢驗，因為馬克士威在11月5日去世，而愛因斯坦在3月14日就出生了。
雖然馬克士威提出了電磁波理論，但不少人對此還是半信半疑。1886年，德國物理學家赫茲發明了一種電波環，他用這種電波環做了一系列實驗，終於在1888年發現了人們期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了世界，馬克士威的電磁理論至此取得了決定性的勝利。
於是，可見光、紫外線、紅外線，以及後來發現的X射線、γ射線等，這些之前被認為不相干的東西，現在全被統一成電磁波，光也開始明確地與電磁波對應。
至此，波動說終於徹底擊敗了微粒說──至少當時人們這樣認為。
「量子」這個概念最早源自科學家對光的認識，所以就讓我們從光的性質說起吧。
自古以來，太陽就是人類膜拜的對象，陽光是人類必不可少的生命源泉，但人們對於光到底是什麼卻說不清楚，所以古人只好把太陽當作神靈來崇拜，把太陽作為光明的象徵，也把太陽看作是世界的統治者。
很長一段時間，人類對光的認識只限於某些簡單的現象和規律描述，例如戰國時期的《墨經》，記載了投影、針孔成像等光學現象；古希臘學者歐幾里得在《反射光學》中，論述了光在傳播過程中的直線傳播原理和光的反射定理。
隨著科學的發展，人們終於開始以科學方法研究光，並發現了反射、折射等一些基本的光學現象。到了十七世紀，人們開始研究光的本性，但對於光的性質卻有了水火不容的爭論：牛頓認為光是一種粒子，惠更斯卻認為光是一種波。
1.1 惠更斯的波動說
荷蘭物理學家惠更斯認為：如果光是一種粒子，那麼光在交叉時就會因碰撞而改變方向，可人們並沒有觀察到這種現象，所以微粒說是錯誤的。他認為光是發光體產生振動後，在「乙太」中的傳播過程，並以球面波的形式連續傳播，當時的人們認為「乙太」是充塞整個空間的一種彈性粒子；當然，現在已經證明這是一種子虛烏有的東西。惠更斯認為，乙太波的傳播形式不是乙太粒子本身的移動，而是以振動的方式傳播。
1690年，惠更斯出版了《光論》一書，闡述了他的光的波動原理：
「光波向外輻射時，光傳播介質中的每一物質粒子，不只是把運動傳給前面的相鄰粒子，還傳給周圍所有和自己接觸、並阻礙自己運動的粒子。因此，在每一粒子周圍，就產生以此粒子為中心的波。」
惠更斯在此原理基礎上，推導出了光的反射和折射定律，解釋了光速在光密介質（折射率較高的介質）中減小的原因，同時還解釋了光進入冰島晶石（透明方解石）的雙折射現象（1669年，丹麥學者巴爾托林發現了此現象，透過它可以看到物體呈雙重影像）。
惠更斯的波動說雖然冠以「波動」一詞，但他把錯誤的「乙太」概念引入波動光學，對波動過程的基本特性也說明不足。他認為光波是非週期性的，波長和頻率的概念在他的理論中不存在，故難以說明光的直線傳播現象，也無法解釋他發現的光的偏振現象，惠更斯的光學理論，尚只是很不完備的波動理論。
1.2 牛頓的微粒說
牛頓則堅持光的微粒說，在其做過很多的光學實驗裡，就包括著名的三稜鏡色散實驗。其實這個實驗在他之前已有人做過，不過做得不佳，只獲得了兩側帶有顏色的光斑，而牛頓則獲得了展開的光譜。他還用各種不同的稜鏡以及不同的組合方式，嚴謹地研究了色散現象，所以不少人都認為牛頓是最早發現色散現象的人。
牛頓認為：既然光是沿直線傳播，那就應該是粒子，因為波會彌散在空間中，不會聚成一條直線，最直觀的實驗證明就是物體能擋住光形成陰影，他在1675年12月9日送交英國皇家學會的信中鮮明地指出：
「我認為光既非乙太也不是振動，而是發光物體所傳播出、某種與此不同的東西……可以設想光是一群具有難以想像微小運動迅速、大小不同的粒子，這些粒子從遠處發光體處一個接一個發射，但我們卻感覺不到相繼兩個粒子之間的時間間隔，它們被一個運動本源不斷推進……」
牛頓在1704年發表了《光學》一書，書中論述了關於光的反射、折射以及顏色等問題的實驗和討論，也提到了對於光繞射現象的一些觀察實驗。雖然《光學》一書主要在論述牛頓的微粒說觀點，但他也不得不含糊借用一些波動理論來解釋一些實驗現象。實際上，牛頓在後期的研究中精確地測量了各種色光的波長，但他並不將其稱為波長，而且聲明：
「這是何種作用或屬性，究竟它在於光線或媒質，還是別的某些東西的一種圓周運動或是振動，我在此不予探究……」
由於牛頓和惠更斯都提出了有理有據的論證，但都有一些破綻，所以科學家分成了兩大陣營，對光的微粒說和波動說吵得不可開交。雖然牛頓含糊借用了一些波動論的觀點，但由於他極高的聲望、以及著作中實驗和理論分析的嚴謹性，一時間光的微粒學說占了上風。
1.3 楊氏雙狹縫干涉實驗
一個世紀以後，情況發生了變化。1807年，英國科學家湯馬斯．楊格發表了一篇論文，這篇論文裡描述了他發現的光的干涉實驗：
「讓一束單色光照射一塊屏，屏上開有兩道狹縫，可認為這兩條縫就是兩束光的發散中心；而當這兩束光照射到放置在它們前進方向上的屏上時，就會形成寬度近於相等、若干條明暗相間的條紋……」
這個實驗現在叫做楊氏雙狹縫干涉實驗，是物理學史上最著名的實驗之一。一束光照射到兩道平行狹縫上，如果按照牛頓的光粒子理論，這束光只能在兩道狹縫後的屏幕上照出兩條亮條紋，但實驗結果卻是整個屏幕上都出現了明暗相間的條紋，這不就是波的干涉條紋嗎？湯馬斯．楊格終於找到了支持波動說的有力證據：光從兩道狹縫中通過後，波峰和波峰疊加形成亮條紋，波峰和波谷疊加形成暗條紋。
湯馬斯．楊格成功完成了光的干涉實驗，並由此測定光的波長，為光的波動性提供了重要的實驗依據。
1.4 帕松的烏龍球
楊氏雙狹縫干涉實驗，拉開了光的波動說對微粒說的反擊序幕。1818年，菲涅耳和帕松又發現光在照射圓盤時，在盤後方一定距離的屏幕上，圓盤的影子中心會出現一個光斑。這是光的圓盤繞射，是波動說的又一個有力證據。
當單色光照射在寬度小於或等於光源波長的小圓盤上時，會在後面的光屏上出現環狀、互為同心圓的繞射條紋，並且在圓心處會出現一個極小的光斑，這個光斑被稱為帕松光斑。
帕松光斑的發現說起來還是一段歪打正著的笑話呢！
1818年，法國科學院提出一個徵文競賽題目：利用精確的實驗確定光線的繞射效應。
當時只有三十歲的菲涅耳向科學院提交了應徵論文，他提出一種半波帶法，定量計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的繞射花紋，得出的結果與實驗非常吻合。更令人驚奇的是，菲涅耳竟然用波動理論解釋了光沿直線傳播的現象。
競賽評獎委員會中有著名的科學家帕松，但他當時是堅定的光的微粒說支持者，菲涅耳的波動理論自然遭到了帕松的反對。
帕松希望找到菲涅耳的破綻來駁倒他，於是他運用菲涅耳的理論推導了圓盤繞射，結果導出了一種非常奇怪的現象：如果在光束的傳播路徑上放置一塊不透明的圓盤，那麼在離圓盤一定距離的地方，圓盤陰影的中央應當出現一個光斑。對當時的人來講，這簡直不可思議，所以帕松宣稱，他已經駁倒了菲涅耳的波動理論。
但是另一位評委阿拉戈卻是波動說的支持者，他支持菲涅耳接受這個挑戰。他們立即用實驗，檢驗帕松提出的問題，結果發現：影子中心真的出現一個光斑，這個實驗精彩地證實了菲涅耳波動理論的正確性。在事實面前，帕松啞口無言。
這件事轟動了法國科學院，菲涅耳理所當然地榮獲了這一屆的科學獎。
令人啼笑皆非的是，原本想反對波動說的帕松，竟無意幫了波動說一個大忙，雖然屬於自擺烏龍，但畢竟為波動論進了一球；波動論者也沒有忘記他的功勞，慷慨地把這個現象稱為帕松光斑。不管帕松願不願意，他在後人心目中已經成了波動說陣營中的一員大將。
1.5 光就是電磁波
隨著時間推移，波動說取得了越來越多的證據。英國科學家馬克士威在建立電磁理論時，於1862年就已預見到光是起源於電磁現象的一種橫波，他在相關論文中用斜體字寫道：
「我們很難避免得出這樣的結論，即光是由引起電現象和磁現象的同一介質當中的橫波所組成。」
馬克士威在多年研究的基礎上，於1873年出版了《電磁通論》一書，指出了光就是電磁波！
馬克士威將電磁學裡的四個公式結合，提出馬克士威方程組，明確指出變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，這樣電和磁可以像波（稱為電磁波）一樣，在真空中向前傳播而不需要介質。電磁波彌漫整個空間，以光速傳播，馬克士威同時預測：光就是電磁波。
1879年，馬克士威因病逝世，年僅四十八歲。不少人都喜歡講這樣一個巧合：愛因斯坦正好在1879年出生，莫非冥冥之中二人有什麼連繫？遺憾的是，這樣的謠傳經不起檢驗，因為馬克士威在11月5日去世，而愛因斯坦在3月14日就出生了。
雖然馬克士威提出了電磁波理論，但不少人對此還是半信半疑。1886年，德國物理學家赫茲發明了一種電波環，他用這種電波環做了一系列實驗，終於在1888年發現了人們期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了世界，馬克士威的電磁理論至此取得了決定性的勝利。
於是，可見光、紫外線、紅外線，以及後來發現的X射線、γ射線等，這些之前被認為不相干的東西，現在全被統一成電磁波，光也開始明確地與電磁波對應。
至此，波動說終於徹底擊敗了微粒說──至少當時人們這樣認為。
