在人类探索自然的漫长历程中,没有哪一种现象能像“光”一样,既伴随文明的诞生,又贯穿科学的演进。它是生命赖以生存的能量源泉,是古人眼中神明的馈赠,更是物理学家穷尽智慧追寻的终极谜题。

从17世纪科学革命的曙光初现,到20世纪量子物理的颠覆式突破,一场围绕“光的本质”展开的争论,持续了整整三个世纪。

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这场论战几乎囊括了物理学史上所有耀眼的名字——笛卡尔、胡克、牛顿、惠更斯、托马斯·杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦……他们以智慧为剑,以实验为盾,在理论与实践的碰撞中,不仅揭开了光的神秘面纱,更重构了人类对宇宙的认知框架,推动了物理学从经典到现代的跨越式发展。

这场跨越数百年的“光之战争”,并非简单的观点对立,而是一场关于科学方法论、思维范式与认知边界的全面博弈。它始于对光的传播与性质的初步探究,历经微粒说与波动说的交替兴衰,最终在量子物理的视野下达成“波粒二象性”的和解。每一次理论的交锋,都伴随着实验技术的突破;每一次观点的迭代,都推动着科学思想的升华。这不仅是一段科学史,更是一部人类凭借理性与执着,突破认知局限、探索自然真理的壮丽史诗。

17世纪,是西方文明从神权桎梏中挣脱、科学理性崛起的时代。在此之前,中世纪的经院哲学长期占据思想主导,人们对自然现象的解释多依附于宗教教义与亚里士多德的传统理论,缺乏系统性的实验验证与数学推导。直到16世纪末至17世纪初,哥白尼的日心说、伽利略的天文观测与力学实验,才为科学革命拉开了序幕,打破了“神创宇宙”的固有认知,确立了“观察-实验-推理”的科学方法论。

在这个科学的“洪荒时代”,数学与物理尚未形成明确的学科分界。当时的科学家普遍认为,宇宙是上帝用数学语言构建的精密体系,而物理学的核心使命,便是破译这些隐藏在自然现象背后的数学规律。他们既是物理学家,也是数学家,通过将现实问题转化为数学模型,用纯粹的逻辑推演揭示自然的本质。这种“数理合一”的思维模式,成为了近代科学诞生的重要基石,也为光的本质探索埋下了伏笔。

在光学领域,古人早已观察到光的直线传播、反射、折射等现象,但始终未能形成系统的理论解释。

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古希腊学者欧几里得在《光学》中提出光的直线传播假设,认为光是从眼睛发出的“视线”;托勒密曾尝试用几何方法研究光的折射规律,却因缺乏精准实验数据而得出错误结论。直到17世纪,随着实验技术的进步与数学工具的革新,科学家们才得以从全新的视角,重新审视光的本质。

在这场光学革命中,勒内·笛卡尔(René Descartes,1596-1650)是一位承前启后的关键人物。这位法国哲学家、数学家、物理学家,不仅在哲学领域提出“我思故我在”的经典命题,更在数学与物理领域做出了划时代的贡献——开创了解析几何,为物理学的量化分析提供了强大工具;同时,他提出的光的双重假说,直接引发了后续数百年的波粒之争。

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解析几何的诞生,是数学史上的一次重大突破。

在此之前,平面几何依赖于直观的图形推理,无法有效处理复杂的曲线问题;而代数则缺乏与几何图形的直接关联,难以描述现实世界的空间关系。笛卡尔创造性地将代数方程与几何图形结合,引入了坐标系(后被称为“笛卡尔坐标系”),通过将点、线、面转化为坐标与方程,实现了用代数方法解决几何问题的跨越。这种“将现实问题翻译成数学语言,再用纯数学方法求解”的思维模式,不仅重塑了数学的发展路径,更成为了近代物理学的核心研究方法——从经典力学的运动方程,到电磁学的麦克斯韦方程组,再到量子力学的波函数,本质上都是解析几何思想的延伸与拓展。

对于初中阶段的学习者而言,解析几何的入门或许充满挑战。相较于平面几何中可通过现实场景(如桌面、门窗)理解的图形概念,解析几何更抽象、更注重逻辑推演。但正是这种抽象性,为人类打开了通往高等数学与近代物理的大门。当我们学会用坐标描述点的位置,用方程表示线的轨迹,便不再局限于直观的现实场景,而是能够通过纯粹的逻辑推理,探索隐藏在现象背后的规律——这正是笛卡尔留给后世的核心科学遗产。

在光学研究中,笛卡尔充分运用了解析几何的方法,对光的折射定律进行了数学推导。在此之前,荷兰科学家威里布里德·斯涅尔(Willebrord Snellius,1580-1626)通过大量实验,总结出光的折射规律:当光从一种介质进入另一种介质时,入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为常数(即n₁sinθ₁=n₂sinθ₂)。但斯涅尔的结论仅基于实验观测,缺乏严格的数学证明与理论支撑。

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笛卡尔则从光的传播机制出发,通过构建几何模型,在纯数学层面推导出了这一定律,使其从实验结论上升为理论规律,奠定了几何光学的基础。

更为重要的是,笛卡尔提出了关于光的本质的两种假说,为后续的波粒之争埋下了种子。

第一种假说是“微粒说”:他认为光是类似于微小粒子的物质,这些粒子从光源发出,在介质中沿直线传播,碰撞到物体表面时会发生反射或折射。这种假说能够较好地解释光的直线传播、反射现象,但在解释折射时存在矛盾——若光为微粒,当从光疏介质进入光密介质时,为何会向法线偏折?为解决这一问题,笛卡尔提出了第二种假说:光是一种以“以太”为媒介的压力。他认为,宇宙中充满了一种名为“以太”的稀薄介质,光源的振动会在以太中产生压力波,这种压力波的传播形成了光。这一假说类似于声波的传播机制,能够解释光的折射与衍射现象,但又与微粒说的核心观点相互冲突。

笛卡尔的双重假说,反映了当时科学家对光的本质的困惑。他既无法完全否定微粒说的合理性,也难以忽视波动现象的存在,因此只能提出两种相互矛盾的解释。这种理论上的“妥协”,不仅未能彻底揭示光的本质,反而引发了后续科学家的激烈争论——一部分人认同微粒说,试图完善其理论;另一部分人则倾向于波动说,通过实验寻找证据。一场跨越数百年的科学论战,就此拉开序幕。

笛卡尔的双重假说提出后,首先推动了波动说的发展。1655年,意大利波仑亚大学的数学教授弗朗西斯科·格里马第(Francesco Maria Grimaldi,1618-1663)在一次实验中,意外发现了光的衍射现象——当一束光照射到放置在光束中的小棍子上时,棍子的影子边缘并非清晰的直线,而是出现了明暗交替的条纹。

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这一现象与水波绕过障碍物时的传播特征极为相似,格里马第据此推想:光可能是一种与水波类似的流体,能够绕过障碍物传播,即光具有波动性。

格里马第的发现,是人类首次观测到光的波动现象,为波动说提供了重要的实验依据。但由于他英年早逝,未能对这一现象进行深入研究,也未能构建完整的波动理论。直到17世纪60年代,英国科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635-1703)接过了波动说的大旗,成为波动派的早期领袖。

胡克是一位涉猎广泛的“全能型”科学家,在物理学、天文学、生物学、仪器设计等多个领域都有重要贡献。他一生研究成果丰硕,但由于研究方向过于繁杂,缺乏对单一领域的深耕细作,导致他很少有突破性的核心理论。即便如此,他在光学与仪器设计领域的成就,仍使其成为当时科学界的权威人物。

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在仪器设计方面,胡克展现出了惊人的动手能力。他设计制造了真空泵、显微镜、望远镜等多种实验仪器,其中显微镜的改进的尤为重要。1665年,胡克出版了《显微术》(Micrographia)一书,详细记录了他利用显微镜观测到的各种现象——从植物细胞、昆虫翅膀的纹理,到矿物的晶体结构。他首次将植物组织中的微小结构命名为“细胞”(cell),这一术语沿用至今,成为生物学领域的基础概念。《显微术》一书的出版,不仅为胡克赢得了世界性的学术声誉,更推动了显微镜技术的普及,为后续的微观世界探索奠定了基础。

在光学研究中,胡克重复了格里马第的衍射实验,并通过对肥皂泡膜与玻璃球中彩色条纹的观察,进一步完善了波动说。他提出:光是以太的一种纵向波,即波的振动方向与传播方向一致,类似于声波在空气中的传播。根据这一假说,胡克认为光的颜色是由其频率决定的——不同频率的光波,在人眼中呈现出不同的颜色。这一观点,首次将光的颜色与波动频率关联起来,为后续的光学研究提供了重要思路。

胡克的波动说,虽然能够解释光的衍射、干涉(肥皂泡彩色条纹)等现象,但缺乏严格的数学推导与系统的理论支撑,仍处于初步发展阶段。而此时,一位划破科学天空的巨星即将登场,他将以无与伦比的智慧与权威,为微粒说注入强大的生命力,与胡克展开激烈对抗——他就是艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1643-1727)。

17世纪下半叶,牛顿的出现,开启了物理学的“牛顿时代”。这位英国物理学家、数学家、天文学家,一手创立了牛顿力学体系,奠定了近代物理大厦的根基;在数学领域,他与莱布尼茨独立发明微积分,为科学研究提供了强大的数学工具;在光学领域,他通过一系列精准的实验,完善了微粒说,成为微粒派的绝对领袖。正如那首著名诗文所形容的:“自然和自然的法则隐藏在黑暗中,上帝说,让牛顿去吧,于是一片光明。”

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牛顿在科学史上的地位,堪比儒家的孔子、道家的老子——他构建的经典力学体系,统治了物理学界近三百年,成为近代科学的标志性成果。在那个科学分科尚未明确的时代,牛顿与其他科学家一样,涉猎多个研究领域,但与胡克的“浅尝辄止”不同,牛顿对每个领域都进行了深入研究,力求构建完整的理论体系。这种“深耕细作”的研究态度,使其能够在多个领域取得突破性成就。

牛顿与光学的结缘,始于望远镜的制造。在伽利略发明望远镜之后,天文学取得了飞速发展——木星卫星的发现、金星盈亏现象的观测,直接推翻了地心说,确立了日心说的地位。但当时的天文望远镜(折射式望远镜)制造面临着巨大瓶颈:望远镜的成像质量受色差影响严重,且镜片的磨制技术极为复杂。

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折射式望远镜的核心部件是凸透镜镜片,镜片的磨制需要极高的精度,不仅要求表面光滑,还需严格控制曲率。在17世纪,没有现代化的打磨机器,科学家只能靠手工磨制镜片,这对动手能力是极大的考验。

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传说伽利略发明望远镜后,开普勒曾向他借镜观测,却因无法磨制出合格的镜片,始终未能复制出同样精度的望远镜。而胡克凭借出色的动手能力,成为当时镜片磨制的权威,这也使其在光学领域占据了优势地位。

牛顿在尝试制造折射式望远镜时,也遭遇了同样的困境——无论如何打磨镜片,都无法消除色差,成像质量始终不尽如人意。但天才的思维往往不拘泥于传统,既然无法在现有设计框架内解决问题,牛顿便决定彻底改变望远镜的设计原理。1668年,牛顿设计制造了世界上第一台反射式望远镜:他摒弃了折射式望远镜的凸透镜镜片,改用一个凹面反射镜作为物镜,通过反射光线成像,从而彻底消除了色差的影响。同时,反射式望远镜仅需一个凹面镜,大大简化了制造工艺,缩短了望远镜的长度,提高了成像精度。

当时的牛顿年仅29岁,年轻气盛,正准备在光学领域大展拳脚。

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1672年初,凭借这台反射式望远镜,牛顿当选为英国皇家学会会员——这一荣誉,相当于如今的中科院院士,是对他在光学与仪器设计领域成就的高度认可。入选皇家学会后,牛顿提交了他的第一篇学术论文,主题是他所做的光的色散实验,这篇论文也成为了第一次波粒战争的导火索。

光的色散实验,如今已成为小学科学课程中的经典实验:一束白光照射到三棱镜上,会分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光;若将另一块三棱镜倒置放置在色散光线的路径上,七种色光又能重新合成白光。

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在牛顿之前,已有科学家观察到光折射后会产生颜色,但均未能进行系统的实验验证与理论解释。牛顿是第一个将这一实验精确呈现,并提出科学解释的人。

为了保证实验的准确性,牛顿在炎热的夏天,将自己关在一间完全封闭的黑色屋子里,只留一个小孔让一束白光射入。当时没有空调,屋内温度极高,牛顿汗如雨下,却始终专注于实验观测。当白光透过三棱镜,在墙上投射出绚丽的光谱时,强烈的光照对比,让这一实验被誉为“物理学最美实验”之一。这一实验不仅直观地展示了光的色散现象,更揭示了白光的本质——白光是由不同颜色的光复合而成的。

在论文中,牛顿基于实验结果,提出了光的微粒说解释:光是由一群不同颜色的微粒复合而成的,这些微粒具有不同的质量与速度,当它们穿过三棱镜时,由于受到棱镜介质的引力作用不同,偏转角度也不同,从而分解为不同颜色的光。这一解释,看似能够合理地说明光的色散现象,却立即遭到了胡克的强烈反对。

作为波动派的领袖与光学领域的权威,胡克对牛顿的观点充满了敌意。

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他认为,牛顿论文中关于“光的复合与分解”的思想,剽窃了他1665年在《显微术》中提出的观点;而牛顿提出的微粒说,完全是错误的,无法解释光的衍射、干涉等波动现象。胡克的指责,彻底激怒了牛顿。这位年轻的科学家性格孤傲,自尊心极强,面对胡克的质疑,他花了四个月时间,撰写了一篇长文,对胡克的每一条指责都进行了尖锐的反驳,言辞激烈,甚至带有人身攻击的意味。

一场科学论战就此爆发。牛顿与胡克通过皇家学会的学术期刊,相互发表文章攻击对方的理论:牛顿不断完善微粒说,用微粒的运动规律解释光的反射、折射现象;胡克则坚守波动说,指责微粒说无法解释波动现象。这场论战持续了数年,直到牛顿将注意力转移到力学与天文学研究,暂时搁置了光学争论,双方才进入了短暂的休战期。

在休战期间,牛顿致力于《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica)的撰写,而波动派则迎来了另一位核心人物——克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695),他的出现,让第一次波粒战争走向了高潮。

17至18世纪的欧洲科学界,英国与法国如同江湖上的少林与武当,分庭抗礼,群星璀璨。

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英国有牛顿、胡克、波义耳等科学巨匠,法国则有笛卡尔、拉普拉斯、拉瓦锡等领军人物。而惠更斯作为一位荷兰科学家,却同时成为了两国科学界的核心成员——他是巴黎皇家科学院的首任院长,也是英国皇家学会的第一位外国会员,其学术成就与影响力,跨越了国界的限制。

惠更斯在力学、光学、数学、天文学领域都有着卓越的贡献:在力学领域,他提出了单摆周期公式,奠定了钟摆制造的理论基础;在天文学领域,他发现了土星的卫星泰坦(土卫六),并观测到土星环的结构;在数学领域,他是微积分的先驱之一,对概率论的发展也有重要贡献。与胡克的“浅尝辄止”不同,惠更斯对每个研究领域都进行了深入探索,力求构建严谨、系统的理论体系,这也使其成为波动说的集大成者。

与牛顿、胡克一样,惠更斯的光学研究也与望远镜密切相关。

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但他的设计思路与牛顿截然不同:牛顿通过改变望远镜的成像原理(反射式)解决色差问题,而惠更斯则采用了“简单粗暴”的方式——直接抛弃镜筒,将巨大的物镜安装在高塔之上,观测者则手持目镜,在几个街区外对着物镜进行观测。这种“天空望远镜”虽然操作不便,但避免了镜筒对光线的阻挡,提高了观测精度,惠更斯也凭借这台望远镜,在天文学领域取得了多项重要发现。

在光学理论研究中,惠更斯坚定地支持波动说,并对其进行了系统化的完善。他具有极高的数学天赋,其学生之一便是与牛顿共同发明微积分的莱布尼茨。1678年,惠更斯撰写了《论光》一文,以波动理论为基础,通过严密的数学推理,反推出光的反射与折射定律,使波动说具备了与微粒说抗衡的理论实力。

此时的牛顿,正专注于《自然哲学的数学原理》的撰写,暂时无心参与光学争论。1687年,《原理》一书出版,这部划时代的巨著,系统阐述了牛顿三大运动定律与万有引力定律,构建了完整的经典力学体系,奠定了牛顿在科学史上不可撼动的地位。在当时的科学界,《原理》的地位神圣不可侵犯,以至于后来人们提到“《原理》”,便默认是牛顿的这部著作。

1689年,惠更斯访问英国,与牛顿进行了历史性的会面。关于两位科学巨星的具体交流内容,没有留下详细的记载,但可以肯定的是,他们都未能说服对方——牛顿坚持微粒说,惠更斯坚守波动说,双方在光学本质的认知上,始终存在不可调和的分歧。

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会面一年后,即1690年,惠更斯出版了《光论》(Traité de la Lumière)一书,这是波动说发展史上的里程碑式著作。在书中,惠更斯第一次提出并定义了严谨、可建模的“机械波”概念,提出了著名的“惠更斯原理”:介质中任意波面上的各点,都可以看作是发射子波的波源,其后任意时刻,这些子波的包络面就是新的波面。这一原理不仅能够解释光的直线传播、反射、折射现象,还能合理地解释光的衍射现象,为波动说提供了坚实的理论基础。

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《光论》中最精彩的部分,是惠更斯对双折射现象的解释。双折射现象是指光射入各向异性晶体(如方解石)后,分裂为两束折射光的现象,其中一束遵循折射定律,称为“寻常光”;另一束不遵循折射定律,称为“非常光”。为了解释这一奇异现象,惠更斯提出了“球和椭球波传播模型”:寻常光在晶体中以球面波的形式传播,非常光则以椭球面波的形式传播,两束光的传播速度不同,从而产生双折射现象。书中配有几十幅复杂的几何图,充分展现了惠更斯高超的数学功底与逻辑推理能力。

《光论》的出版,彻底完整地建立了波动学说,使波动派在第一次波粒战争中暂时占据了上风。而此时的微粒说,由于牛顿忙于其他领域的研究,未能形成完整的理论体系,处于被动防守的状态。但好景不长,1695年,惠更斯在荷兰海牙安详离世,波动派失去了核心领袖;1703年,与牛顿斗了一辈子的胡克,在落寞中走完了68年的人生旅途,波动派彻底陷入群龙无首的境地。

胡克逝世后,牛顿当选为英国皇家学会主席,这一职位让他在科学界的地位变得更加举足轻重。此时的牛顿,已经完成了力学、天文学领域的不朽著作,开始将注意力重新转向光学研究。没有人预料到,1703年将成为第一次波粒战争的分水岭——波动派失去了两大领袖,而牛顿则凭借其无可撼动的科学权威,一手扭转了战局。

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1704年,即胡克逝世的第二年,牛顿出版了另一部划时代的巨著——《光学》(Opticks)。这部著作汇聚了牛顿在剑桥大学三十年的光学研究心得,从微粒说的角度,系统阐述了光的反射、折射、透镜成像、眼睛成像原理、光谱等方方面面的内容,构建了完整的微粒说理论体系。

在《光学》中,牛顿不仅完善了微粒说的核心观点,还创造性地将波动说中的“周期”“振动”等概念引入微粒说,试图用微粒的振动解释光的颜色与干涉现象。同时,他针对波动说无法解释的问题,进行了尖锐的反驳:例如,波动说无法解释光的直线传播现象——若光为波,为何不会像水波一样绕过障碍物继续传播,而是形成清晰的影子?又如,波动说无法解释光在真空中的传播——若光为以太波,那么以太这种介质如何能穿透所有物体,且不产生任何阻力?

牛顿的反驳直击波动说的要害,而此时的波动派,既没有核心领袖进行理论辩护,也没有足够的实验证据反驳牛顿的观点。更重要的是,牛顿凭借《自然哲学的数学原理》奠定的科学权威,使其观点具有了“不容置疑”的说服力。在当时的科学界,牛顿就如同“科学之神”,他的理论被视为绝对真理,没有人敢轻易质疑。

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牛顿的《光学》,如同一场摧枯拉朽的风暴,彻底击溃了波动派的抵抗。微粒说凭借牛顿的权威与完整的理论体系,彻底赢得了第一次波粒战争的胜利。在此后的一个世纪里,光的微粒说占据了科学界的绝对主导地位,再没有人对“光是粒子”的观点提出质疑。波动说则被打入“冷宫”,成为少数科学家私下探讨的话题,陷入了长达百年的沉寂。

第一次波粒战争的落幕,并非因为微粒说比波动说更接近真理,而是多种因素共同作用的结果:牛顿的科学权威、波动派核心领袖的离世、波动理论的不完善、实验技术的局限……这场胜利,为微粒说赢得了百年的垄断地位,也延缓了人类对光的本质的认知进程。直到一百年后,一个名叫托马斯·杨的医生,用一个简单却极具颠覆性的实验,吹响了波动说反攻的号角,开启了第二次波粒战争。

1773年6月13日,英国萨默塞特郡的一个教徒家庭,诞生了一个天赋异禀的男孩——托马斯·杨(Thomas Young,1773-1829)。

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他的童年,堪称“天才的范本”:两岁开始阅读各种经典著作,六岁学习拉丁文,十四岁能用拉丁文撰写自传,十六岁时已掌握英语、拉丁语、希腊语、法语、意大利语、希伯来语、阿拉伯语等十多种语言。除了语言天赋,托马斯·杨在文学、艺术、科学等领域也展现出了过人的才华——他能演奏当时几乎所有的乐器,对绘画、雕塑也有深入研究;同时,他还热衷于破译古文字,为埃及学的创立做出了突出贡献,曾参与罗塞塔石碑的破译工作。

罗塞塔石碑是1799年在埃及罗塞塔镇发现的一块花岗岩石碑,上面刻有三种文字——古埃及象形文字、古埃及世俗体文字、古希腊文字。在当时,古埃及象形文字早已失传,无人能懂,而罗塞塔石碑的发现,为破译象形文字提供了关键线索。托马斯·杨凭借深厚的语言功底与逻辑推理能力,成功破译了石碑上的部分象形文字,确定了象形文字与世俗体文字、古希腊文字的对应关系,为埃及学的正式创立奠定了基础。

如果仅看这些经历,托马斯·杨更像是一位文学天才,但事实上,他是一位罕见的文理全才。

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中学时期,他便读完了牛顿的《自然哲学的数学原理》、拉瓦锡的《化学纲要》等经典科学著作,为自己打下了坚实的科学基础。长大后,受当医生的叔父影响,托马斯·杨前往伦敦学医,专注于生理光学与医学研究。

1794年,年仅21岁的托马斯·杨,由于对眼睛调节机理的深入研究,当选为英国皇家学会会员——这一成就,即便在如今,也是绝大多数科学家难以企及的高度(相当于21岁成为中科院院士)。1795年,他前往德国哥廷根大学继续学医,仅用一年时间便完成了博士论文,获得医学博士学位。在医学领域,托马斯·杨的贡献同样显著:他详细研究了心脏与血管的功能,发表了多篇学术论文;同时,他是世界上第一个研究散光的医生,提出了散光的成因与矫正方法,被誉为“生理光学的创始人”。

在研究眼睛构造的过程中,托马斯·杨不可避免地接触到了光学领域的基本问题。当时,微粒说已经统治了科学界一百年,人们对牛顿的理论深信不疑,但托马斯·杨通过对眼睛成像原理的研究,发现微粒说存在诸多矛盾,开始对波动说产生兴趣。

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1800年,托马斯·杨在伦敦正式行医,在行医之余,他将大量时间投入到光学研究中,试图通过实验验证波动说的正确性。

1801年,托马斯·杨设计并完成了一个名垂青史的实验——光的双缝干涉实验。这个实验的装置极为简单:将一支蜡烛放在一张开有小孔的纸前,形成一个点光源;在点光源后方,再放置一张开有两道平行狭缝的纸;光线穿过两道狭缝后,投射到前方的屏幕上,形成了一排规律的明暗交替条纹。这一现象,便是著名的“干涉条纹”。

这个看似简单的实验,却具有颠覆性的意义。2002年,美国两位学者在全美物理学家中开展调查,邀请他们提名“有史以来最出色的十大物理实验”,托马斯·杨的双缝干涉实验占据了两席:原汁原味的光的双缝干涉实验排名第五,而基于其原理设计的电子双缝干涉实验排名榜首——后者成为了量子力学的核心实验,揭示了微观粒子的波粒二象性。

1807年,托马斯·杨在《自然哲学讲义》中,详细描述了双缝干涉实验的过程与结果。

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此时,距离牛顿发表《光学》已过去一百多年,微粒说的统治地位看似坚不可摧,但双缝干涉实验的结果,却成为了波动说的“大规模杀伤性武器”——微粒说无法解释这一现象,而波动说则能完美诠释。

根据波动说的原理,波具有波峰与波谷:当两列频率相同、相位差恒定的波相遇时,若波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,会发生相长干涉,形成亮带;若波峰与波谷相遇,会发生相消干涉,形成暗带。托马斯·杨通过精确的数学计算,推导出了干涉条纹的间距公式:Δx = (L/d)λ,其中Δx为条纹间距,L为双缝到屏幕的距离,d为双缝间距,λ为光的波长。这一公式计算出的亮带、暗带位置,与实验结果丝毫不差,为波动说提供了无可辩驳的实验证据。

双缝干涉实验的出现,打破了微粒说百年垄断的局面,隐藏于地下的波动说重新回到历史舞台,第二次波粒战争正式开启。

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但微粒说的根基并未立即动摇——一百多年来,牛顿的理论已经深入人心,成为科学界的“圣经”,托马斯·杨的论文发表后,立即遭到了权威们的嘲笑与讽刺。当时的英国皇家学会会长约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)甚至认为,托马斯·杨的观点是“对牛顿的亵渎”,拒绝在皇家学会的期刊上发表他的论文。

尽管遭受了重重阻力,但双缝干涉实验的证据确凿,无法被忽视。随着时间的推移,越来越多的科学家开始关注波动说,微粒说则被迫陷入防守。为了反击波动说,微粒派提出了一系列实验质疑,其中最著名的便是1809年马吕斯发现的光的偏振现象——这一现象,当时的波动说无法解释,战局由此进入僵持阶段。

1809年,法国物理学家埃蒂安-路易·马吕斯(Étienne-Louis Malus,1775-1812)在一次偶然的机会中,发现了光的偏振现象。他通过方解石晶体观察窗户反射的太阳光时,发现当晶体旋转时,透射光的强度会发生周期性变化,甚至会出现完全消光的现象。这一现象,被称为“光的偏振”。

光的偏振现象的发现,给波动说带来了巨大的挑战。根据当时惠更斯提出的波动理论,光是一种纵向波(振动方向与传播方向一致),而纵向波无论如何旋转,其振动特性都不会改变,无法解释偏振现象。而微粒说则能勉强解释这一现象——牛顿在《光学》中曾提出,光的微粒可能具有“极性”,当微粒的极性与晶体的结构平行时,能够穿过晶体;当极性垂直时,会被阻挡。因此,偏振现象的发现,让微粒派重新占据了上风,波动说则陷入了理论危机。

这场僵持持续了十几年,直到1818年,一场科学征文竞赛成为了第二次波粒战争的转折点。当年,法国科学院提出了一个征文题目,包含两个问题:1. 利用精确的实验确定光线的衍射效应;2. 根据实验,用数学归纳法推导出光通过物体附近时的运动情况。

此次竞赛的评委会由多位知名科学家组成,其中包括皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)、西莫恩·德尼·泊松(Simeon Denis Poisson)、让-巴蒂斯特·比奥(Jean-Baptiste Biot)等坚定的微粒说拥护者。在他们看来,这场竞赛将是微粒说彻底击败波动说的绝佳机会。

在法国物理学家弗朗索瓦·阿拉果(François Arago,1786-1853)与安德烈-马里·安培(André-Marie Ampère,1775-1836)的鼓励与支持下,波动派的新星奥古斯丁-让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel,1788-1827)向科学院提交了应征论文。菲涅尔出身于工程师家庭,具有扎实的数学功底与实验能力,他一生致力于光学研究,是波动说复兴的核心人物。

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在论文中,菲涅尔采用波动说的观点,结合惠更斯原理,提出了“惠更斯-菲涅尔原理”:介质中任意波面上的各点,都可以看作是发射子波的波源,这些子波是相干波,它们的叠加结果决定了后续时刻的波面。

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通过这一原理,菲涅尔用严密的数学推理,极为圆满地解释了光的衍射现象,不仅推导出入射光与衍射光的强度分布,还与实验结果高度吻合。

菲涅尔的论文提交后,立即遭到了评委会中微粒派科学家的反对。泊松作为当时著名的数学家与微粒说拥护者,对菲涅尔的理论进行了深入的数学分析。他发现,根据菲涅尔的理论,若在一束光的传播路径上放置一块不透明的圆板,挡住光线,那么在离圆板一定距离的屏幕上,圆板阴影的中央应当出现一个亮斑。

这一结论在当时看来,无疑是荒谬绝伦的。按照常识,用不透明的圆板挡住光线,阴影中央应当是完全黑暗的,怎么可能出现亮斑?泊松认为,这一荒谬的推论,足以驳倒菲涅尔的波动理论,因此他在评委会会议上,公开指出了这一“矛盾”,认为波动说已被彻底推翻。

在此之前,菲涅尔从未观测到这一现象。

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从数学角度来看,这一推论需要极高的微积分技巧才能推导得出,而泊松作为当时顶尖的数学家,凭借出色的计算能力,才发现了这一隐藏的结论。面对泊松的质疑,菲涅尔陷入了被动,但评委会中的阿拉果坚持认为,科学理论需要实验验证,无论结论多么荒谬,都应通过实验来检验。

在阿拉果的支持下,菲涅尔与阿拉果一起设计了实验:他们将一块不透明的圆板放置在点光源的传播路径上,在圆板后方一定距离处放置屏幕,观察阴影的分布。实验结果令人震惊——圆板阴影的中央,果然出现了一个明亮的光斑,与泊松的数学推论完全一致。

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这个原本用来反驳波动说的“荒谬结论”,最终成为了支持波动说的最有力证据。为了纪念这一戏剧性的反转,这个亮斑被命名为“泊松亮斑”(又称“阿拉果亮斑”)。泊松本想借此打击波动派,却无意中为波动说提供了关键实验证据,成为了科学史上的一段趣闻。

泊松亮斑实验,成为了第二次波粒战争的决定性事件。

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菲涅尔凭借这篇论文,获得了法国科学院的征文大奖,波动说也因此重新占据了绝对上风。微粒派试图通过衍射实验反驳波动说的计划,彻底宣告失败,微粒说开始节节败退。

泊松亮斑实验后,波动说虽然占据了优势,但仍面临一个核心难题——光的偏振现象。

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惠更斯提出的纵向波理论,无法解释偏振现象,这成为了波动说的最后一道障碍。为了攻克这一难题,菲涅尔进行了深入的研究与思考,最终提出了一个创造性的观点:光是一种横波,即波的振动方向与传播方向垂直,而非纵向波。

横波理论的提出,彻底解决了偏振现象的解释难题。横波的振动方向垂直于传播方向,当光通过偏振片(或晶体)时,只有振动方向与偏振片透振方向一致的光才能通过,旋转偏振片时,透射光的强度会发生周期性变化,甚至消光,这与马吕斯观测到的偏振现象完全吻合。

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同时,横波理论还能解释光的双折射现象——在各向异性晶体中,横波的振动方向不同,传播速度也不同,从而分裂为两束光。

菲涅尔的横波理论,不仅攻克了波动说的最后一道堡垒,还完善了波动理论的数学体系。他通过横波理论,推导出了光的反射定律、折射定律、偏振定律等一系列光学规律,与实验结果高度一致。至此,波动说的理论体系已极为完善,能够解释当时已知的所有光学现象,而微粒说则只剩下最后一个“堡垒”——光速在不同介质中的传播速度。

根据微粒说的理论,光在水中的传播速度应当比在真空中快。因为当光从真空进入水中时,水的分子会对光的微粒产生引力,使微粒加速,从而提高传播速度。而根据波动说的理论,光在水中的传播速度应当比在真空中慢——波动的传播速度与介质的折射率成反比,水的折射率大于真空,因此光速更慢。

这一差异,成为了区分微粒说与波动说的终极判决性实验。但由于光速实在太快(约3×10⁸米/秒),在19世纪中叶之前,科学家们始终无法精确测量光速,更无法比较光在不同介质中的传播速度。因此,这一问题长期悬而未决,成为了第二次波粒战争的最后焦点。

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直到1850年,法国物理学家莱昂·傅科(Léon Foucault,1819-1868)成功解决了这一难题。傅科是一位杰出的实验物理学家,擅长设计高精度的实验装置。他在前人研究的基础上,改进了光速测量方法,采用旋转镜法,精确测量了光在真空中与水中的传播速度。

傅科的实验装置由光源、旋转镜、固定镜、水筒等组成:光源发出的光照射到旋转镜上,经反射后照射到固定镜上,再反射回旋转镜;由于旋转镜在高速旋转,反射光的方向会发生偏移,通过测量偏移量,可以计算出光的传播速度。傅科首先测量了光在真空中的速度,随后在旋转镜与固定镜之间加入水筒,测量光在水中的传播速度。

实验结果显示,光在水中的传播速度,仅为真空中光速的四分之三(约2.25×10⁸米/秒),与波动说的预言完全一致,彻底否定了微粒说的结论。这一结果,如同最终的判决书,宣告了微粒说的死刑。至此,第二次波粒战争以波动说的全面胜利告终,微粒说彻底退出了历史舞台,波动说成为了光学领域的唯一正统理论。

波动说的胜利,并非光学研究的终点。随着19世纪电磁学的飞速发展,科学家们逐渐发现,光与电磁现象之间存在着密切的联系,一场新的认知革命即将到来。19世纪被称为“电磁世纪”,人类从对电与磁的初步认知,到电磁理论的建立,再到电磁波的发现与应用,仅用了短短几十年时间,引发了第二次工业革命,开启了电气时代。

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电磁学的发展,离不开两位核心科学家——迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791-1867)与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879),他们被称为“电磁学双子星座”。法拉第凭借天才的物理直觉,发现了电与磁的相互转化关系,奠定了电磁学的实验基础;麦克斯韦则用高超的数学能力,将法拉第的实验成果转化为系统的理论,构建了电磁学的数学框架,预言了电磁波的存在。

法拉第出身于贫苦的铁匠家庭,没有接受过系统的高等教育,却凭借对科学的热爱与执着,成为了近代最伟大的实验物理学家之一。他一生致力于电磁学实验,做出了多项划时代的发现:1831年,他发现了电磁感应现象,即变化的磁场能产生电场,为发电机的发明奠定了基础;1839年,他发现了电解定律,建立了电与化学的联系;1845年,他发现了磁光效应(法拉第效应),即磁场能使光的振动面发生旋转——这一发现,首次揭示了光与电磁现象之间的关联,表明光并非孤立的现象,而是与电磁作用密切相关。

法拉第的发现,彻底改变了人类对电与磁的认知,但他的理论缺乏严格的数学推导。由于法拉第没有接受过系统的数学训练,无法用精准的数学语言描述电磁现象,只能通过“力线”等直观概念进行解释。这一缺陷,限制了电磁理论的进一步发展,也需要一位数学天才来完成理论的系统化。

麦克斯韦的出现,填补了这一空白。

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他出身于苏格兰的一个贵族家庭,从小展现出过人的数学天赋,16岁便进入爱丁堡大学学习,24岁获得剑桥大学博士学位。麦克斯韦深入研究了法拉第的实验成果,将法拉第的“力线”概念转化为数学方程,构建了完整的电磁理论体系。

1864年,麦克斯韦发表了著名论文《电磁场的动力理论》,提出了一套优美的方程组(后被称为“麦克斯韦方程组”)。

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这一方程组由四个微分方程组成,分别描述了电场与电荷、磁场与电流、变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场的关系。通过这一方程组,麦克斯韦推导出了电磁波的传播方程,计算出了电磁波的传播速度——与当时已知的光速数值几乎一致。

基于这一发现,麦克斯韦提出了一个大胆的预言:光是一种电磁波。他认为,光并非特殊的物质,而是一种频率在可见光范围内的电磁波,其传播不需要以太介质(后续实验证明以太并不存在),而是通过电场与磁场的相互转化传播。这一预言,将光学与电磁学统一起来,打破了传统光学与电磁学的学科界限,开启了“光电磁统一”的新时代。

麦克斯韦的电磁理论,是经典物理大厦的另一座丰碑,其重要性不亚于牛顿的力学体系。但在当时,这一理论并未被广泛接受——一方面,麦克斯韦的方程组过于抽象,需要高深的数学知识才能理解;另一方面,电磁波的存在尚未被实验证实,人们对“光是电磁波”的观点持怀疑态度。直到麦克斯韦1879年去世,电磁波仍未被发现,他的理论始终处于争议之中。

麦克斯韦去世后,验证电磁波的存在,成为了物理学界的重要课题。当时,科学界存在两种对立的观点:一种是以威廉·韦伯(Wilhelm Weber,1804-1891)为代表的观点,认为电磁力是瞬时传播的,不受时空限制;另一种则是麦克斯韦的理论,认为电磁力通过电磁波传播,具有有限的传播速度。

1887年,一位年轻的德国物理学家,海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894),开始致力于电磁波的实验验证。

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赫兹出身于德国汉堡的一个犹太商人家庭,先后在慕尼黑大学、柏林大学学习物理,师从著名物理学家亥姆霍兹。1885年,赫兹担任卡尔斯鲁厄大学物理学教授,在那里建立了自己的实验室,专注于电磁学研究。

1887年,刚刚结婚的赫兹,在实验室里设计了一套精妙的实验装置,用于检测电磁波。这套装置由两部分组成:发射器与接收器。发射器由一个感应线圈和两个金属小球组成,感应线圈产生高压,使两个小球之间产生电火花;根据麦克斯韦的理论,电火花的产生会伴随电磁波的辐射。接收器则由一个环形导线和两个金属小球组成,当电磁波照射到环形导线上时,会在导线中产生感应电流,使两个小球之间也产生电火花。

赫兹的实验,本质上是通过发射器产生电磁波,再通过接收器检测电磁波的存在。但由于电磁波的强度极弱,检测难度极大,赫兹在实验室里日复一日地观测,这一看就是近两年的时间。在这期间,他不断改进实验装置,调整发射器与接收器的距离、角度,优化实验条件,始终没有放弃。

1888年的一天,赫兹在观测中,终于看到了接收器两个小球之间出现了微弱的电火花——这一电火花,正是麦克斯韦理论中预言的电磁波所引发的。

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人类第一次在实验室中,成功检测到了电磁波的存在。这一发现,不仅验证了麦克斯韦电磁理论的正确性,更开启了电磁波应用的新时代。

赫兹并没有止步于此,他进一步测量了电磁波的传播速度。通过精确测量发射器与接收器之间的距离,以及电磁波的传播时间,赫兹计算出了电磁波的速度——与麦克斯韦的预言惊人地一致,电磁波的传播速度与光速完全相等(约3×10⁸米/秒)。这一结果,进一步证实了“光是一种电磁波”的观点,使麦克斯韦的理论终于被科学界广泛接受。

赫兹的实验,为经典电磁理论画上了圆满的句号。如果说法拉第为电磁学打下了地基,麦克斯韦建造了主体建筑,那么赫兹则完成了最后的封顶工作。这一理论体系,不仅深刻改变了人类对自然的认知,更推动了技术的飞速发展。在赫兹宣布发现电磁波六年后,意大利发明家古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi,1874-1937)成功发出了第一封无线电报,开启了无线电通信的时代。从无线电报、无线电广播、电视,到如今的手机通信、卫星导航、无线网络,所有的远距离通信技术,本质上都是电磁波的应用。

赫兹的发现,让人类认识到,光并不神秘。它只是电磁波家族中的一员,其频率范围恰好落在人类眼睛能够感知的区域(约3.9×10¹⁴Hz至7.6×10¹⁴Hz),因此被称为“可见光”。除了可见光,电磁波家族还包括无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线等,它们的频率不同,性质与应用也各不相同,但本质上都是电磁波,遵循相同的传播规律。

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随后,科学家们通过一系列实验,进一步验证了电磁波与光的一致性:电磁波与光一样,具有反射、折射、衍射、干涉、偏振等特性;它们的传播速度相同,都不需要介质,能在真空中传播。这些实验,彻底确立了“光是一种电磁波”的结论,光学成为了电磁学的一个分支,经典光学的研究也随之告一段落。

至此,光是一种波的结论,已经变得牢不可破。经典物理大厦看似完美无缺,力学、电磁学、光学相互统一,能够解释当时已知的所有自然现象。但没有人想到,一个隐藏在电磁波实验中的微小现象,将在几十年后,引发一场新的物理学革命,彻底颠覆经典物理的认知——这一现象,便是赫兹在实验中偶然发现的“光电效应”。

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1887年,赫兹在进行电磁波实验时,意外发现了一个奇怪的现象:为了更清晰地观测接收器的电火花,他将整个实验装置放入了完全黑暗的盒子中,却发现电火花能够传递的距离缩小了——必须将发射器与接收器的小球距离调得更近,才能检测到电火花;而当有光照照射到实验装置上时,接收器更容易检测到电火花,传递距离也随之增大。

赫兹对这一现象百思不得其解,他通过进一步实验发现,若用紫外线照射发射器或接收器的金属表面,电火花的传递效果会显著增强;而用可见光或红外线照射,则没有明显效果。1887年,赫兹发表了论文《论紫外光在放电中产生的效应》,详细记录了这一现象,但由于当时电磁波的发现更为激动人心,且蕴含着巨大的商业价值,这一论文并未引起太多关注。

就连赫兹自己,也没有意识到这一现象的重要性。他一生致力于电磁学研究,始终没有时间深入探究这一效应的本质。

1894年,在宣布发现电磁波五年后,赫兹因败血症英年早逝,年仅36岁。这位为经典电磁理论盖上最后一块基石的科学家,未曾想过自己在实验记录本上随手记下的“异常现象”,竟成了撬动这座完美大厦的第一根杠杆——一个隐藏在光明背后的阴影,正悄然孕育着下一个世纪的物理学革命,为经典物理埋下了颠覆自身的种子。

这个被后世命名为“光电效应”的现象,在当时不过是赫兹实验报告中一段不起眼的附注。彼时的科学界,正沉浸在电磁波发现的狂喜之中:无线电报的雏形已现,通信技术的革命近在眼前,巨大的商业潜力让无数研究者趋之若鹜。相比之下,“光照影响电火花传递”的细微变化,显得无关紧要且难以解释,自然被淹没在对电磁波应用的狂热追逐里。没人能预见,这个看似偶然的发现,实则是量子物理这一“潘多拉魔盒”的第一道缝隙,而赫兹,正是无意间触碰了盒锁的人。

真理从不缺少执着的追寻者。

在赫兹离世后,仍有少数物理学家注意到了这份被遗忘的附注,对这一奇特现象展开了系统性探究。他们通过精密实验发现:当紫外线照射到金属表面时,金属会瞬间带上正电,仿佛表面的负电荷被某种力量“剥离”了。由于当时电子尚未被发现,研究者们只能模糊地描述为“金属失去了负电”,却无法深究背后的机制。进一步实验更揭示了规律:钾、钠、镁等活泼金属对这种“剥离效应”更为敏感,而铜、铁等不活泼金属则几乎无反应,且只有紫外线能引发这一现象,可见光与红外线即便照射时间再长、强度再大,也无法产生丝毫效果。

1897年,英国物理学家约瑟夫·汤姆逊通过阴极射线实验,首次发现了电子的存在。这一重大突破为光电效应的解释提供了关键钥匙——研究者们终于明白,所谓“金属失去负电”,本质是光照射使金属内部的电子挣脱了原子的束缚,逃逸到了表面。

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这种光与电的奇妙关联,被正式命名为“光电效应”,而随着实验数据的积累,一个让经典理论陷入绝境的难题也逐渐浮现:电子能否逃逸,完全取决于入射光的频率,与光的强度无关。频率足够高的紫外线,即便光线微弱到近乎昏暗,也能瞬间打出电子;而频率不足的红外线,即便照射一年,也无法让一个电子逃逸。这一规律,与经典波动理论的核心认知完全相悖。

当经典物理在光电效应的困境中束手无策时,20世纪的钟声悄然敲响,一场足以颠覆人类认知的物理学革命,正酝酿待发。

1900年,德国物理学家马克斯·普朗克,这位已近中年、在热辐射领域深耕多年的学者,正被“黑体辐射”问题困扰不已。经典电磁理论推导的黑体辐射公式,在高频区域与实验结果严重偏离,形成了著名的“紫外灾难”。为了弥合理论与实验的鸿沟,普朗克做出了一个违背直觉的大胆假设:电磁波的吸收与发射并非连续的,而是以“一份一份”的离散形式进行,每一份能量都有最小单位。

1900年12月14日,圣诞节的氛围已弥漫在欧洲大陆,普朗克在德国物理学会上发表了题为《黑体光谱中的能量分布》的论文,正式提出“能量子”概念——这一最小能量单位,后来被简化为“量子”,这一天也被公认为量子物理的诞生日。

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普朗克指出,能量的传递不是平滑连续的,就像我们无法将一滴水无限分割,能量细分到量子级别后便无法再拆分,所有能量传递都是量子的整数倍,既不能传递半个量子,也不存在999.5个量子的情况。

这一概念如同惊雷划破经典物理的天空,彻底颠覆了人类对世界的认知。自牛顿建立经典力学体系以来,“世界是连续的”这一观念,早已如同基石般深深扎根在物理学界,从未有人质疑。无论是时间、空间,还是能量、运动,都被认为是平滑过渡、可无限细分的。而普朗克的量子假设,却宣告世界的本质是“离散的”“不连续的”,这与经典物理的核心逻辑格格不入。即便普朗克本人,也对这个离经叛道的观点充满困惑与抗拒,他反复强调这只是“为了方便计算引入的数学工具”,而非对现实世界的真实描述,甚至在后续多年里试图将量子概念重新纳入经典理论框架,却终究徒劳无功。

就在普朗克抛出量子概念的同一年,一位21岁的德国青年从苏黎世联邦理工学院毕业,却面临着毕业即失业的困境。他性格孤僻,不擅交际,求职屡屡碰壁,在街头辗转漂泊近一年后,才在朋友的帮助下,获得了瑞士伯尔尼专利局三级技术员的职位。这份看似平凡的工作,给了他大量可自由支配的时间,让他得以在处理专利申请的间隙,沉下心来思考当时物理学最前沿的难题。这个年轻人,就是阿尔伯特·爱因斯坦

1905年,被后世称为“爱因斯坦奇迹年”——在物理学史上,唯有牛顿躲避瘟疫、潜心研究的1666年能与之媲美。这一年,爱因斯坦连续发表了五篇论文,每一篇都足以改写物理学的发展轨迹,每一篇都具备角逐诺贝尔奖的实力。其中,《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文,成为了破解光电效应之谜的关键,也让沉寂的波粒之争再度掀起惊涛骇浪。

在这篇论文中,爱因斯坦跳出了经典波动理论的桎梏,将普朗克的量子假设推向了新的高度。他提出:光不仅在吸收和发射时是量子化的,其本身就是由大量离散的“光量子”(后被称为“光子”)组成,而非连续的波。每个光子的能量E与光的频率ν成正比,遵循公式E=hν(其中h为普朗克常量)。

这一理论完美解释了光电效应的核心难题:电子逃逸金属表面需要克服一定的能量壁垒(逸出功),只有当单个光子的能量大于逸出功时,才能将电子打出;若光子能量不足,即便光子数量再多(光强度再大),也无法让电子逃逸。微弱的紫外线光子能量足够,故能瞬间产生效应;强红外线光子能量不足,即便照射再久也无济于事。

如同麦克斯韦的电磁波预言需赫兹实验验证,爱因斯坦的光量子理论在提出之初,也遭遇了广泛的质疑与排斥。直到1916年,美国物理学家罗伯特·密立根发表了精准的实验结果——他通过多年的精密测量,不仅证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性,还重新校准了普朗克常量的数值,与理论推导高度吻合。这一实验为光量子理论提供了无可辩驳的证据,也让爱因斯坦在1921年凭借对光电效应的解释,荣获诺贝尔物理学奖(因当时量子理论仍有争议,诺贝尔奖委员会特意回避了相对论,聚焦于争议较小的光电效应研究)。

光量子理论的确立,让沉寂百年的波粒之争再度白热化。

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一边是麦克斯韦电磁理论与无数实验证实的“光的波动性”,另一边是爱因斯坦光量子理论与光电效应支撑的“光的粒子性”——两种看似矛盾的属性,都拥有坚实的理论与实验依据,让物理学界陷入了前所未有的困惑。这场跨越三个世纪的论战,最终没有迎来一方对另一方的彻底胜利,而是达成了一种颠覆性的“和解”:光具有波粒二象性,它既是连续传播的波,又是离散存在的粒子,两种属性在不同场景下交替显现,共同构成了光的本质。

更令人震撼的是,波粒二象性并非光的专属特性。在后续的量子物理研究中,科学家们发现,电子、质子、中子等所有微观粒子,都兼具波动性与粒子性——电子双缝干涉实验便直观证明了电子的波动性,而康普顿效应则证实了光子的粒子性。这一发现彻底重塑了人类对微观世界的认知,也标志着光学之争的基本落幕,物理学正式迈入量子时代。

量子物理的崛起,揭开了一个与经典常识截然不同的微观世界:在这里,确定性被概率性取代,粒子可以同时处于多个位置,观测行为会改变粒子状态……经典物理的诸多规律在此失效,人类对宇宙的认知边界被再次拓宽。这场跨越数百年的“光之战争”,几乎汇聚了物理学史上所有耀眼的巨星——从笛卡尔的双重假说,到牛顿与惠更斯的巅峰对决;从托马斯·杨的双缝实验,到麦克斯韦的电磁统一;从普朗克的量子假设,到爱因斯坦的光量子理论。他们以智慧为刃,以实验为证,在理论与实践的碰撞中,一次次突破认知的局限,推动着科学的迭代与进步。

如今,关于光的探索仍未停止,量子物理的诸多谜题等待着被破解。但这段跨越三个世纪的科学史诗,早已证明人类对真理的执着追求永无止境。或许在未来的某一天,正在聆听这段历史的你,也会拿起探索的火炬,成为照亮科学迷雾的那颗巨星,续写属于人类的认知传奇。