光是什么

光究竟是什么？是像空气、水一样的物质吗？它又具有那些性质？回顾物理学的发展历史，没有任何一个问题比这些问题更令物理学家伤脑筋的了。从十七世纪中叶到二十世纪初，经历了两个半世纪的不懈努力，物理学家们终于看清了光的“庐山真面目”……

清晨，当太阳从东方的地平线上冉冉升起，天际间那片暗灰色的云彩很快就被染成了五颜六色，化成一片绚丽的彩霞……

傍晚，雨后，夕阳西下，一道彩虹挂在东边的天空；池塘里，田田的荷叶上滚动着晶莹的水珠，玲珑剔透……

夜幕降临，皓月当空。城市的街头，华灯绽放，霓虹灯闪着诱人的光。这时的你也许正和朋友们一起Party，尽情地享受着你生日的“烛光晚餐”，烛光映红了你美丽的脸庞，你胸前的钻石项链熠熠闪光……

要是没有光，情况会怎样呢？这些良辰美景还会不会出现？

是的，这一切的一切，都是光的作用。人们赞美太阳，是因为太阳把光和热无私地给了地球；人们赞美月亮，是因为月亮把清辉洒向人间。有了光，大自然才如此绚烂多彩；有了光，百花园里才会姹紫嫣红，原野上、果园里才有五谷丰登、瓜果飘香。要是没有光，不用说美景无法欣赏，就是生命也不复存在，整个世界将是一片黑暗和死寂。

　　既然光和万物的生存息息相关，那么，光究竟是什么？它具有哪些性质？这个问题早在17世纪中叶就引起了物理学家们的关注。但这个问题实在太过复杂，以至于整整困惑了物理学家两个半世纪之久！直到爱因斯坦为止，物理学家们才算彻底看清了光的“庐山真面目”——光具有波粒二象性！也就是说，光既是连续的波，又是不连续的粒子。

　　你一定大惑不解：物理学家搞错了吧？这怎么可能呢？又连续又不连续，这不是自相矛盾吗？有道理！若依常理看，你的质疑是对的，但物理学家并没有搞错，光就是这么复杂，既具有波动性，又具有粒子性！看似冰火不容，实则完美地统一，就像一枚硬币的两个表面。

很玄吧？喜欢寻根究底的你，一定在想：物理学家们是如何得出这个结论的呢？问得好！现在，就让我们走进历史的天空，看看那些科学巨匠们是如何研究光的吧！

　　科学研究离不开假说．“只要自然科学在思维着，它的存在形式就是假说” （恩格斯）。假说，是在人们占有的事实和经验材料不够完备的情况下对事物的本质和规律所做的推测性说明。既然作出假说的事实材料不充分，假说就难免不出现片面性，甚至是谬误，科学的争论也就在所难免。但任何科学假说的正确与否，都必须接受实验事实的检验与评判。对于光的本性的认识，自牛顿时代起，就一直存在着“微粒说”和“波动说”之争，十九世纪初，光的干涉、衍射和偏振现象的发现和理论研究，无可辩驳的证明了光的波动说的正确性，而光速和电磁波的传播速度相等的实验事实又进一步证明了光是一种电磁波。就在物理学家们举杯庆祝光的“波动说”取得节节胜利的当口，光电效应实验彻底粉碎了“波动说”一统天下的美梦，就在信奉“波动说”的物理学家们大惑不解的时候，爱因斯坦适时提出了光量子的假说，令人信服地解释了光电效应的实验现象。

下面我们将详细地谈一谈这段历史发展过程

　　我们知道，光射到不透明的物体上会留下影子，物体通过小孔会成倒立的实像。生活经验告诉我们，光是沿直线传播的，我们的初中物理课本也是这样讲的。当光线射到两种物质的交界面上时会发生反射和折射现象。为了研究光的传播规律，物理学家提出了光线的概念，这样就可以采用几何学的方法来研究光现象，这就是几何光学。人们发现，光射到两种物质的界面上发生的反射现象与一个弹性球斜射到墙壁上被反弹的现象类似，据此笛卡尔最先用“微粒说”来解释光的反射和折射现象，这种观点被牛顿所接受。在他的一篇论文中，牛顿提出“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，它们被发光体“一个接一个地发射出来”。光的“微粒说”能够很好的解释光的直线传播现象，在解释光的折射现象时，得出了光在光密媒质中光速较大的结论（这个结论在今天看来是完全错误的），但“微粒说”不能解释光的衍射现象。

十七世纪中叶以后，意大利物理学家格里马第发现，在光路中放一直杆，屏幕上影子的宽度比光沿直线传播时的宽度小，这说明光不是严格地沿直线传播的，而是像水波一样，能绕过障碍物继续向前传播。他把这种光线绕过障碍物继续向前传播的现象叫做“衍射”。光的衍射现象也被英国物理学家胡克所发现。因此这两人都主张光是一种波动。荷兰物理学家惠更斯明确地提出了光的“波动说”，认为光像声波和水波一样以有限的速度和球面的形式传播，并提出了以他的名字命名的“惠更斯原理”。利用“惠更斯原理”能够很好地解释光的衍射现象，但却不能解释最简单的直线传播现象。光的这两种假说只能说明部分实验事实而对其他光现象则不能给出满意地解释，导致两种学说一直并存并争论着。由于牛顿在科学界的威望（牛顿信奉“微粒说” ），“微粒说”在科学界一度占主导地位。

　　十九世纪初，由于英国物理学家托马斯"杨和法国物理学家菲涅尔等人的工作，光的波动说又得以复兴。1801年，托马斯"杨作了光的双缝干涉实验，让一束光通过两条靠得很近的窄缝，在屏幕上发现了明暗相间的条纹，为了解释这种现象，他提出了“干涉原理”，并提出了波长、频率、干涉等概念。菲涅尔从1815年开始对光的衍射现象进行研究，独立地得到了干涉和衍射方面的规律，建立了完善的波动理论。1819年，菲涅尔和阿拉果合作研究，证明了相互垂直的偏振光不能发生干涉，从而得出了光是横波的结论。到了十九世纪六十年代，英国物理学家麦克斯韦在前人研究的基础上，建立起完整的电磁场理论。根据他的电磁场理论和当时测得的光速数据，麦克斯韦大胆地预言了电磁波的存在，并指出，光就是一种电磁波，这就是光的“电磁说”。这个预言在1887年被德国物理学家赫兹所证实。同样是赫兹，在实验中却又发现了一种奇怪的现象：某些频率的光射到金属板上能使金属板带正电！电子发现以后，物理学家们确认金属板带正电是因为有电子逸出金属板。也就是说，当某些频率的光照射在金属板上（如用紫外线照射锌板）后，有电子逸出金属板。这就是著名的“光电效应”现象。这种现象无法利用经典的电磁理论来解释，光的“波动说”重新陷入困境。为了解释这种现象，1905年，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，在一篇论文中，他写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线（即光电效应），以及其他有关光的产生和转化的现象的各种观测结果。根据这一假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中将不是连续分布在越来越大的空间中，而是又一个数目有限的局限于空间各点的能量子所组成。这些能量子在运动中不再分散，只能整个地被吸收或产生。” 利用光量子的概念，爱因斯坦圆满地解释了光电效应现象，使他荣获了1921年度的诺贝尔物理学奖。