光的波粒二象性

光一直被認為是最小的物質，雖然它是個最特殊的物質，但可以説探索光的本性也就等於探索物質的本性。歷史上，整個物理學正是圍繞着物質究竟是波還是粒子而展開的。

光學的任務是研究光的本性，光的輻射、傳播和接收的規律；光和其他物質的相互作用（如物質對光的吸收、散射、光的機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等）以及光學在科學技術等方面的應用。

光的波動性

在人們對物理光學的研究過程中，光的本性問題和光的顏色問題成為焦點。關於光的本性問題，笛卡爾在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中提出了兩種假説。一種假説認為，光是類似於微粒的一種物質；另一種假説認為光是一種以“以太”為媒質的壓力。雖然笛卡爾更強調媒介對光的影響和作用，但他的這兩種假説已經為後來的微粒説和波動説的爭論埋下了伏筆。

格里馬第發現了光的衍射現象

十七世紀中期，物理光學有了進一步的發展。1655年，意大利波侖亞大學的數學教授格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時，首先發現了光的衍射現象。據此他推想光可能是與水波類似的一種流體。格里馬第第一個提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動學説最早的倡導者。

1663年，英國科學家波義耳提出了物體的顏色不是物體本身的性質，而是光照射在物體上產生的效果。他第一次記載了肥皂泡和玻璃球中的彩色條紋。這一發現與格里馬第的説法有不謀而合之處，為後來的研究奠定了基礎。

不久後，英國物理學家胡克重複了格里馬第的試驗，並通過對肥皂泡膜的顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的假説。根據這一假説，胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的。

1672年，偉大的牛頓在他的論文《關於光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔後照在暗室裏的稜鏡上，在對面的牆壁上會得到一個彩色光譜。他認為，光的複合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。在這篇論文裏他用微粒説闡述了光的顏色理論。第一次波動説與粒子説的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。

1672年2月6日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國皇家學會評議委員會對牛頓提交的論文《關於光和色的新理論》基本上持以否定的態度。牛頓開始並沒有完全否定波動説，也不是微粒説偏執的支持者。但在爭論展開以後，牛頓在很多論文中對胡克的波動説進行了反駁。由於此時的牛頓和胡克都沒有形成完整的理論，因此波動説和微粒説之間的論戰並沒有全面展開。但科學上的爭論就是這樣，一旦產生便要尋個水落石出。

波動説的支持者，荷蘭著名天文學家、物理學家和數學家惠更斯繼承並完善了胡克的觀點。惠更斯早年在天文學、物理學和技術科學等領域做出了重要貢獻，並系統的對幾何光學進行過研究。1666年，惠更斯應邀來到巴黎科學院以後，並開始了對物理光學的研究。在他擔任院士期間，惠更斯曾去英國旅行,並在劍橋會見了牛頓。二人彼此十分欣賞，而且交流了對光的本性的看法，但此時惠更斯的觀點更傾向於波動説，因此他和牛頓之間產生了分歧。正是這種分歧激發了惠更斯對物理光學的強烈熱情。回到巴黎之後，惠更斯重複了牛頓的光學試驗。他仔細的研究了牛頓的光學試驗和格里馬第實驗，認為其中有很多現象都是微粒説所無法解釋的。因此，他提出了波動學説比較完整的理論。

惠更斯認為，光是一種機械波；光波是一種靠物質載體來傳播的縱向波，傳播它的物質載體是“以太”；波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。根據這一理論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現象和著名的“牛頓環”實驗。如果説這些理論不易理解，惠更斯又舉出了一個生活中的例子來反駁微粒説。如果光是由粒子組成的，那麼在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會導致光的傳播方向的改變。而事實並非如此。

1882年，德國天文學家夫琅和費首次用光柵研究了光的衍射現象。在他之後，德國另一位物理學家施維爾德根據新的光波學説，對光通過光柵後的衍射現象進行了成功的解釋。

至此，新的波動學説牢固的建立起來了。微粒説開始轉向劣勢。

隨着光的波動學説的建立，人們開始為光波尋找載體，以太説又重新活躍起來。一些著名的科學家成為了以太説的代表人物。但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，於是各種假説紛紛提出，以太成為了十九世紀的眾焦點之一。

菲涅耳在研究以太時發現的問題是，橫向波的介質應該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎麼能不干擾天體的自由運轉呢。不久以後泊松也發現了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學説相矛盾。

為了解決各種問題，1839年柯西提出了第三種以太説，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質。他試圖以此解決泊松提出的困難。1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質進行類比，試圖説明有些物質既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動。

1887年，英國物理學家麥克爾遜與化學家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在。但此後仍不乏科學家堅持對以太的研究。甚至在法拉第的光的電磁説、麥克斯韋的光的電磁説提出以後，還有許多科學家潛心致力於對以太的研究。

十九世紀中後期，在光的波動説與微粒説的論戰中，波動説已經取得了決定性勝利。但人們在為光波尋找載體時所遇到的困難，卻預示了波動説所面臨的危機。

就在惠更斯積極的宣傳波動學説的同時，牛頓的微粒學説也逐步的建立起來了。牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》。基於各類實驗，在《光學》一書中，牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產生影子；第二，冰洲石的雙折射現象説明光在不同的邊上有不同的性質，波動説無法解釋其原因。另一方面，牛頓把他的物質微粒觀推廣到了整個自然界，並與他的質點力學體系融為一體，為微粒説找到了堅強的後盾。

為不與胡克再次發生爭執，胡克去世後的第二年（1704年）《光學》才正式公開發行。但此時的惠更斯與胡克已相繼去世，波動説一方無人應戰。

牛頓由於其對科學界所做出的巨大的貢獻，成為了當時無人能及一代科學巨匠。隨着牛頓聲望的提高，人們對他的理論頂禮膜拜，重複他的實驗，並堅信與他相同的結論。整個十八世紀，幾乎無人向微粒説挑戰，也很少再有人對光的本性作進一步的研究。托馬斯．楊提出了光的干涉的概念和光的干涉定律　十八世紀末，在德國自然哲學思潮的影響下，人們的思想逐漸解放。英國著名物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的光學理論產生了懷疑。根據一些實驗事實，楊氏於1800年寫成了論文《關於光和聲的實驗和問題》。在這篇論文中，楊氏把光和聲進行類比，因為二者在重疊後都有加強或減弱的現象，他認為光是在以太流中傳播的彈性振動，並指出光是以橫波的形式傳播的。他同時指出光的不同顏色和聲的不同頻率是相似的。1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。實驗所使用的白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現象，從而證明了光是一種波。同年，楊氏在英國皇家學會的《哲學會刊》上發表論文，分別對“牛頓環”實驗和自己的實驗進行解釋，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

1803年，楊氏寫成了論文《物理光學的實驗和計算》。他根據光的干涉定律對光的衍射現象作了進一步的解釋，認為衍射是由直射光束與反射光束干涉形成的。但由於他認為光是一種縱波，所以在理論上遇到了很多麻煩。他的理論受到了英國政治家布魯厄姆的尖刻的批評，被稱作是“不合邏輯的”、“荒謬的”、“毫無價值的”。

雖然楊氏的理論以及後來的辯駁都沒有得到足夠的重視、甚至遭人毀謗，但他的理論激起了牛頓學派對光學研究的興趣。

光的偏振現象和偏振定律的發現

1808年，拉普拉斯用微粒説分析了光的雙折射線現象，批駁了楊氏的波動説。

1809年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動説的有利證據。

1811年，布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。

光的偏振現象和偏振定律的發現，使當時的波動説陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利於微粒説的方向發展。

面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的説法，提出了光是一種橫波的假説，比較成功的解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之後，他又建立了新的波動説理論。楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈。

菲涅耳與阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論

1817年，巴黎科學院懸賞徵求關於光的干涉的最佳論文。土木工程師菲涅耳也捲入了波動説與微粒説之間的紛爭。在1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動説，但他與楊氏沒有聯繫，當時還不知道楊氏關於衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。事實上他的理論與楊氏的理論正好相反。後來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關於光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之後再次證明了光的波動説。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之後，轉向了波動説。1819年底，在菲涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之後，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

1887年，德國科學家赫茲發現光電效應，光的粒子性再一次被證明！

二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學説。

1905年3月，愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關於光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文，他認為對於時間的平均值，光表現為波動；對於時間的瞬間值，光表現為粒子性。這是歷史上第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一，即波粒二象性。這一科學理論最終得到了學術界的廣泛接受。 ^[1] 

1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年，傑默爾和後來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。

在新的事實與理論面前，光的波動説與微粒説之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。

即：光粒子的運動軌跡是呈週期性的波。

光的波動説與微粒説之爭從十七世紀初笛卡兒提出的兩點假説開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前後共經歷了三百多年的時間。牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學家成為這一論戰雙方的主辯手。正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質”外面那層撲朔迷離的面紗。

科學家們藉助試驗捕獲了光的粒子與波同時存在的場景。主要利用了楊氏雙縫實驗。把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源（從一個點發出的光源）。在紙後面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是眾人皆知的雙縫干涉條紋。