光和声音哪个快，光是粒子还是波，来看物理学诸神们大战

光，是每个人天天见到的东西。它也被认为是这个宇宙最原始的事务之一，从西方神学到东方神话，代表光的神明都会格外受到崇拜，即使在《圣经》里，神创造世界首先创造就是光，可见它在宇宙中所占的独一无二的地位。

可是光就是一种什么东西？普通人很少去考虑这个问题。它看得见，却摸不着，没有气味，也没有重量。它似乎天生就是凭空出世，一下子充满整个空间。这一切到底是怎么发生的呢。早在柏拉图时代就开始研究了。

光到底是一种什么样子的东西

在一段很长时间，光的“粒子说”和“波动说”就在不停的争论谁是正确的。“粒子说”的人认为光是由一粒粒非常小的“光原子”组成的。而“波动说”则认为光是由于介质的振动引起的一种波，而这种能够穿越真空，振动的介质他们称之为“以太”。

光是由光粒子组成还是介质振动的波是一直争论的话题

两个学说谁也不能说服对方，直到16、17世纪，物理学诸神出现，引起了一场光的本质的大论战。

一、牛顿大战胡克，“粒子说”完胜

这里首先介绍一下胡克: 罗伯特· 胡克，英国皇家学会成员，他设计制造了真空泵，显微镜和望远镜，并发现了细胞。同时他在力学方面，弹性体变形与力成正比的定律，即胡克定律。

罗伯特·胡克

当时，另一名物理学家格里马蒂认为，光颜色的不同，是因为光波频率在不同引起的。这引起了胡克的注意，他通过光在肥皂泡映射出的色彩和通过薄云母产生的光辉，认定光必定是某种快速的脉冲。并在他1665年出版的《显微术》明确支持“波动说”。而“波动说”由于这位大神的加入，似乎占据了一定的上风。

光的波动说因为胡克占据了一定的上风

似乎上天并没打算让波动说继续下去，因为，另一位大神，牛顿出现了！1672年，艾萨克· 牛顿因为制造了一台杰出的望远镜当选为英国皇家学会会员，年仅29岁。而牛顿在向皇家学会提交的第一篇论文就是关于光的色散的论文。

大名鼎鼎的艾萨克·牛顿

在牛顿的理论里，所有的光都是粒子的叠合和分散。并从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及光的衍射。并驳斥“波动说”，质疑如果光和声音一样是波，为什么光无法向声音那样绕开障碍物前进？他把他的“粒子说”巧妙的与他的力学体系结合在一起，使得对“波动说”进行了一次摧枯拉朽似的打击。

牛顿环原理图

这一轮大战，牛顿和光“粒子说”大获全胜，“波动说”溃不成军。

二、菲涅尔、麦克斯韦大败“粒子说”，“波动说”成为经典物理的奠基石

在牛顿和“粒子说”大胜后的近一个世纪，“波动说”一直都在地下工作。直到一位天才的出现，托马斯· 杨。他发现波动就像两个水纹一样，当两个波动的波峰叠加在一起，波峰就会是原来的两倍，而当一个波峰恰巧遇到另一水纹的波谷，两者抵消，水纹就会变成平面。这在物理学称之为“波动干涉现象”。

托马斯·杨

那当初牛顿环会不会也是因为这个原理而产生的呢？由此点燃了光的“粒子说”和“波动说”第二次大战的**。而真正取得决定性胜利的是菲涅尔，在1918-1819年，法国科学院举行了一次悬赏论文竞赛，竞赛的题目是光的衍射以及推导光线通过物体时的运动情况。

菲涅尔

菲涅尔在竞赛论文中采用波动的观点，并以严密的数学推理，极为圆满的解释了光的衍射问题，当时还有个小插曲，竞赛评委泊松发现将菲涅尔的理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间会出现一个亮斑。这看起来很荒谬。但菲涅尔的同事，评委之一的阿拉果，坚持用实验来检测，结果发现真的有个亮点奇迹的出现在圆盘阴影的中央。

圆盘后的光斑

随后他又革命性的认为光是一种横波而不是胡克认为的一种纵波（类似弹簧振动的波）。这使得光“波动说”大反攻的日子已经到来。“粒子说”的失手了重要的领地。随后，另一位大神麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文，这是一份开天辟地工作。它证实了光只是电磁波的一类，另外还有我们看不见的红外、紫外、X、r射线。这一切都是电磁波。而光的“粒子说”从此被打入地狱。

伟大的麦克斯韦

然而，这意味着终结吗？

三、普朗克打开量子的魔盒，玻尔三战爱因斯坦，取得完胜。

这回时间来到了1900年，那句著名的“物理学天空的两朵乌云”的话出现了。而这两朵著名的乌云，一朵是光在“以太”这种介质到底是什么？随后爱因斯坦用相对论彻底将“以太”这种看不见摸不着的介质彻底否定，世界上并没有“以太”这种介质。

经典物理学的两朵乌云

我们再来介绍另外一朵乌云，它来自一个“黑体实验”。所谓“黑体”可以看做UI个空心的球体，内壁上涂满吸收辐射的材料。因为从小孔射进去的光线无法反射出来，这个小孔看上去是绝对黑色的。

黑体

这时候黑体本身会辐射能量，计算这个能量有两个公式，一个只在短波的范围内计算精确，而另一个只在长波的范围计算精确。而短波范围计算精确的公式却是用粒子的角度来推导出来的！“粒子说”有死灰复燃了？这时候另一位大神出现了，他的名字叫普朗克。

普朗克

普朗克在研究这两个分别适用于不同波长的公式时，无意中用数学的方法得出了一个公式，而这个公式对无论短波和长波都适用！看似皆大欢喜的结果却让他尴尬不已，因为他也不知道他发明的新公式为什么会管用。知其然，但不知其所以然。普朗克的第六感告诉他，要打开这个局面，就要抛弃传统物理学的认知。最后他得到一个结论：

必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。

等一下，能量不是连续的？那光也是一种能量的形式，它也是一份一份的？这不又回到“粒子说”了吗？但当时的人们对麦克斯韦的电磁波理论理解已经深入骨髓，没有意识到这个转变。而普朗克将这个一份一份的基本单位命名为“量子”。1900年12月14日，量子的诞辰。

量子终于登上了历史舞台

普朗克是一个传统的物理学家，在他看来，量子的假设并不是一个物理真实。但随后而来的物理诸神：爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、泡利、海森堡……他们将量子理论发展开来，最终成为现代物流学的基础之一。

而在量子领域，这些物理学诸神也分为两派，一派以玻尔为首，旗下有海森堡、泡利；而另外一派则以爱因斯坦为首，旗下有德布罗意、薛定谔。

其实爱因斯坦一开始是支持量子假设的，他甚至提出了组成光的能量最小的基本单位“光量子”，而光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。但随后以玻尔为代表的量子力学发展的势头让爱因斯坦产生了怀疑，他始终任务所有的物理理论是可以推导，是有因果关系的、可测量的。而玻尔的量子理论概率性、不确定性和互补性推翻了经典世界的因果关系和绝对客观性。这让爱因斯坦对量子理论开始怀疑，并最终站到了对立面。

上帝会掷骰子吗？

“难道上帝会掷骰子吗？”这句经典台词就来自爱因斯坦对玻尔量子理论的质疑。而物理学历史前进，通过他与玻尔三次大论战的失败告诉我们，上帝不掷骰子，但量子理论就实实在在站在那里，即是爱因斯坦也拦不住。

由于量子学复杂而又超过多数人的认知，本文就不再说明，只说最后的结论，玻尔很想把量子力学和爱因斯坦的相对论作为现代物理学的两座基石。但爱因斯坦最后也没接受这个现实。

至于那个最重要的，光到底是粒子组成的还是波动形成的，在量子理论已经做了说明，它在人们观察它的时候就是一个个粒子，而不观察的时候就会以波动的形式存在！

光到底是粒子还是波取决于人是否观察它

四、写在最后

人们在回忆着三次关于光的物理学大战时候，感觉简直像是在讲述一个童话。物理学家们一个个都被洪流冲击得站不住脚：节奏快得几乎不给人喘息的机会，爆炸性的概念一再地被提出，每一个都足以改变整个科学的面貌。但是，每一个人都感到深深的骄傲和自豪，在理论物理的黄金年代，能够扮演历史舞台上的那一个角色。

当今时代，量子理论又取得了新的成果，谷歌在10月份宣称实现“量子霸权”，而中国在量子加密通讯领域也发射了“墨子号”卫星，而这一切的基础就是每个时代物理学诸神们思维碰撞的结果。

但愿诸神仍在迭代，思想仍在进步。

参考文献：

1、上帝掷骰子吗？量子物理实话：升级版（作者：曹天元）

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光和声音哪个快，光是粒子还是波，来看物理学诸神们大战

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