第十三讲：关于光的百年大辩论

太阳光是什么？

在冬日的阳光下，伸出手，你能感觉到它的温暖，但是，它没有丝毫的重量。你想握住它，它却从你的掌间溜走，又贴在你紧握的手掌之上。这太阳光，到底是什么？

三百多年前，牛顿爵爷用三棱镜作做了光的折射试验，说：光是由一颗颗像小弹丸一样的微粒所组成的。

你看，光是直线前进的，碰到镜子会反弹，碰到水会折射。这完完全全是微粒的特性啊。只是因为微粒太小，我们看不清那些细小的弹丸。还有哦，光里面的小弹丸是五颜六色的。

这就是牛顿的微粒说。

可是，很奇怪，当你点亮两根蜡烛的时候，两束在空间交叉的光线，为什么能彼此互不干扰？你听不到任何“劈劈啪啪”撞击的声音，看不到小弹丸碰撞后改变方向的现象。

为了解释这个现象，和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说。惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种叫做“以太”的弹性媒质来传播。波动说不但解释了几束光线相遇之后独立传播，而且也能解释光的反射和折射现象。

光是微粒还是波的，争论的序幕被拉开了。

由于牛顿爵爷在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说全盘否定，把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时，在光学界称雄整个18世纪。

第一回合：微粒说胜出，牛爵爷先进一球。

接下来，波动说反击了。

有一位年仅24岁的英国医生，在1801年做了一个实验，引起了轰动，再次为光的波动说提供了有力的证据。

这位医生叫托马斯•杨，他做的实验叫“杨氏双缝干涉实验”：

在一支蜡烛的前面，放一张开了一个小孔的纸，这样就形成了一个比较集中的“点”光源。

在纸后面再放第二张纸，在上面开了两道平行的狭缝。

托马斯•杨认为，如果光是微粒组成的话，从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，

会形成两道条纹。

但是，实际观测到的是一系列明、暗交替的条纹，这和水面上两道涟漪相遇而形成的纹路一样。

这种现象，叫做干涉，是波特有的，证明了光是一种波。

托马斯•杨和双缝干涉实验图

不会玩双缝实验的医生，不是一个好射手。杨医生为波动队扳回一球。

第二回合：波动说胜出。

接下来，爱因斯坦提出了光量子概念，解决了光电效应的难题。爱因斯坦因为光电效应的光子解释，获得了诺贝尔物理学奖。

光，又被爱因斯坦变成了似乎是离散的粒子了。物理学家被迫承认，除了波动性质以外，光也具有粒子性质。当然，爱因斯坦的光子是不同于牛顿的小弹丸的。

第三回合：微粒说胜出。

杨氏双缝实验之后一百多年的1909年，又有一位23岁的年轻人重做了这个实验，再次引起了轰动。

这位年轻人叫泰勒，他当时还是一位在读研究生。他研究了爱因斯坦的光量子论文，接受了光是一种粒子的理论。

他在光源后加了一层烟熏玻璃，使得光的强度非常小，以至于到达双缝的可以看作是一个个光子。

这个“弱光”双缝实验，后来被解读为单光子双缝实验，好比用一把“光子枪”，把光子一个一个地朝着双缝发射。请注意，这里的细节和重点是：光子是“一个接着一个”发射的，中间是有时间间隔的（约几个毫秒），而不像杨氏实验里的烛光是一直亮着的。

因为是非常弱的光，要在感光屏幕上留下光影，需要很长的曝光时间。整个实验历时三个月。

按照光子的粒子特性，当这些光子一个一个飞到双缝前，有的被挡住，而穿缝而过的光子，应该在后面的探测屏幕上留下两道痕迹。但是，实验结果出人意料，记录下来的是类似于杨氏双缝实验的干涉条纹。

明明是一个个发射出去的光子，怎么会产生干涉的条纹呢？

如果一颗光子从上面的缝穿过，而后面一颗光子从下面的缝穿过，它们是先后隔开了几个毫秒，到达屏幕不同的位置，既不同时，也不同地，怎么可能发生干涉？

难道是光子在穿过缝隙的时候，“神奇地”一分为二，变成了两个带有“波”特性的东西，既在这里，也在那里，自己和自己发生了干涉？

这些想法，隐隐地指向了量子力学。我们会在以后详细讨论。

泰勒和弱光双缝实验

第四回合：泰勒为波动说扳回一局。

是波，还是粒子，这个争论最后要靠一位天才的历史系学生来决断了。

这位叫德布罗意的仲裁者，出生在法国的一个古老贵族家庭。德布罗意家族一直显赫于政界、军界，200年里走出过一位总理、一位国会领袖、多位部长、高级军官和驻外大使等。

学习历史，长大后当外交官，是家庭安排的一条职业之路。他在18岁便获得历史学学士学位。19岁时，他听到关于光、辐射、量子性质等问题的讨论后，激起了对物理学的强烈兴趣，转向研究理论物理学。21岁又获理学士学位。

德布罗意在研究X射线时，对X射线“时而显现出波动性，时而显现出粒子性”产生了疑问。他大胆提出，不但是光具有波粒二象性，所有微观粒子都具有波粒二象性，甚至可以推广到所有宏观的物质上。

1924年11月，他写出了一篇博士论文，宣布“任何运动的物质都伴随着一种波动”。

这种波，后人也称之为物质波或德布罗意波。

比如70公斤的我，以8米／秒的速度百米跑，算一下，我有一个德布罗意波长1.18x10-36米。一个电子的大小多大？10-15米，这么小的波长，你当然看不出来啦。

爱因斯坦看完德布罗意的论文后，给了德布罗意大大的点赞。

原本因为太超前无人问津的德布罗意的论文，在得到爱因斯坦的高度评价后，才在科学界引起了关注。

他的天才想法，获得了1929年的诺贝尔物理学奖。

他是历史上第一位靠博士论文就获得诺贝尔奖的科学家，出道就是巅峰，第一次亮剑就是“独孤九剑”。

波粒之争，在德布罗意出现后，握手言和了。

从17世纪的微粒说和波动说，再到20世纪的波粒二象性，科学家用了200多年的时间，揭开了光的本质。这个过程充满了曲折、反复、争议甚至戏剧性，好像一场精彩纷呈的足球比赛。

所有前辈积累起来的个体观察、局部正确的知识、似是而非的观点，慢慢理清，最后汇总成一幅清晰而又完整的图像，让我们看清世界的真相。

这个探索世界、探索科学的过程，前赴后继、积少成多、有争议、有舍弃、有继承，本身就是人类逐渐掌握的武器。

科学的探索，从来都不是一蹴而就的。宇宙，是一名循循善诱的良师，它不愿在一堂课之内就把所有知识和奥秘全盘托出。它喜欢循序渐进，用智慧生命可以接受的难度和进度，分段教诲。在劳累一堂课之后，它也会在云间沏一壶茶，放松片刻。此刻，或许正在捻须微笑呢。

下一回，我们要介绍史上最强大的科学豪门，那里出现过几十位诺贝尔奖获得者，被称为诺贝尔幼儿园。那群幼儿园的老师和学生的故事非常精彩。