“波粒之争”——物理史上最无言的结局

司今（jiewaimuyu@126.com）

17世纪，英国物理学家牛顿说，光的本质是粒子性的，即光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，并由此解释了光的直射、反射和折射等现象，这就是光”粒子说“的开端。

但”粒子说“的弊端是不能解释“为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地传播？”，“光为什么可以绕过障碍物的边缘产生拐弯传播（即衍射）？”等。

同时期，荷兰物理学家惠更斯说，光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播，这就是光”波动说“的起源；”波动说“能够解释几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播的现象，而且还能解释光的反射和折射现象等，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。

但”波动说“解释不了光的直射与颜色起源等问题。

对同一种光现象却产生了二种互不相容的解释观点，到底谁是谁非？——由此拉开了近代科学史上关于”光波之争“的序幕。

18世纪，“波动说”被边缘化，”粒子说“一统天下！关于光的研究之火也随之星化了.......

19世纪，马斯•杨做了光的双缝干涉实验，这种现象”粒子说“解释不了，用”波动说“可以予以很好地解释，由此，人们相信光是一种波。

同世纪，麦克斯韦预言，光是波，是一种电磁波，后来赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．

但在这个世纪里，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验，结果证明，地球周围根本不存在什么机械以太；没有了以太，光是波，那它到底是怎样传播的呢？

麦克斯韦后来说，电磁波传播不需要以太，它是依靠自身的电磁场交变而传播的，也就是说，这种传播没有粒子的什么事，那么光既然是一种电磁波，光也就应该没有了粒子性。

20世纪，光电效应、康普顿散射实验的出现，”波动说“解释不了这些现象，纯粹的”粒子说“也解释不了。

面对此困局，是爱因斯坦首先吸纳了普朗克的量子观点，引入光量子概念才得以解释，并由此提出，光具有“波粒二象性”，即Ｅ＝ｈν和ｐ＝(ｈ/λ)。

”波粒之争“终于像”鸟兽大战“寓言故事那样有了“和好”结局！”尺有所短，寸有所长“，”波粒之争“就在这方寸舞台之上演绎出了一个又一个物理学奇迹。

但纵观横跨三个多世纪的“波粒之争”史，可以看出：

”粒子论“的困难关键在于解释不了光的窄缝干涉、衍射等现象；

”波动论“的困难关键在于解释不了光的直射、光电效应等现象。

20世纪的“波粒二象性”论，虽调和了光“波粒之争”的矛盾，但这仅仅是表面上的中庸调和，为什么这么说？因为，用波是为了说明粒子会像水波一样产生衍射、干涉现象，这是继承波动光学的基因；用粒是为了说明衍射、干涉图案的亮点分布性，这是继承粒子光学的基因。

“波粒之战”持续了300多年，并由此掀起了一次又一次的物理学革命，但20世纪却被定性为“波粒二象性”，这真是物理史上最“无言”的结局！

展望21世纪，微观领域研究已进入了纳米空间的世界，纳米空间的物理属性已与经典空间大为不同，

其最明显的区别就在于，物质的纳米空间具有磁场性，同时众多基本粒子也有了自旋磁矩性，就连光子，也具有了自旋角动量和轨道角动量，现在最关键的是，能否证明光子也有自旋磁矩存在？

从物理学已发现的几种磁光效应和塞曼效应中可以看出，光的传播是会受外磁场的影响，光子没有磁性、也没有电性，那它怎么还会受外磁场影响呢？

最近，以色列科学家在最新一期《自然》杂志刊文称：他们已观测到了电子可像水一样流动的情形，如果真是如此，那么电子的”波粒二象性“定论可以休也；由此如作进一步推理，如果有一天，我们的科技发展也能够看到光子可以在窄缝中像水一样流动的话，那么，光的”波粒二象性“之论将何去何从呢？......

科学无止境，结局终有言！

光，宇宙之母，她的背后隐藏了整个宇宙的秘密，光的本质搞清楚了，那么宇宙在我们目前的神秘光环也就随之消失了——在此，为那些锲而不舍的追光者们礼赞吧！

光，人类探索的永恒课题！

【附录1】

磁光效应

置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。包括塞曼效应、磁光法拉第效应、科顿-穆顿效应和磁光克尔效应等，这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。

1、法拉第效应：1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。

2、科顿-穆顿效应：1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现。光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体（见双折射）的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应也称磁致双折射。W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应。

3、克尔磁光效应：入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现。克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。

4、塞曼效应：塞曼效应是物理学史上一个著名的实验。荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。

塞曼效应也是继法拉第磁效致旋光效应之后发现的又一个磁光效应。这个现象的发现是对光的电磁理论的有力支持，证实了原子具有磁矩和空间取向量子化，使人们对物质光谱、原子、分子有更多了解，特别是由于及时得到洛仑兹的理论解释，更受到人们的重视，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。

http://baike.baidu.com/view/3822214.htm?fromtitle=磁光效应&fromid=1438269&type=syn

【附录2】

眼见为实：电子真能像水一样流动

2019-12-12 08:42。科技日报 刘霞

很长时间以来，科学家就预测，电子可像水一样流动，但电子的这种行为一直未被观察到。现在，以色列科学家在最新一期《自然》杂志刊文称，他们首次观测到电子的这一奇特行为，这一最新研究有望催生低功率电子设备。

魏兹曼科学研究所的沙哈尔·伊拉尼教授说：“理论表明，液态电子可以做到其他类电子做不到的事情。但要获得清晰而确凿的证据，证明电子的确可以形成液态，我们希望能直接看到其流动的情形。”

为使电子像液体一样流动，需要一种更高级的导体，如石墨烯——单个原子厚的碳薄层。但让石墨烯等材料内的电子流可视化并非易事，因为做到这一点需要一项特殊技术。这种技术必须足够“强大”，可以窥视材料内部；同时又必须足够“温柔”，不会破坏电子流。

据物理学家组织网10日报道，魏兹曼团队开发出了这一技术。他们研制出一种由碳纳米管晶体管制成的纳米级探测器，该探测器可以前所未有的灵敏度对流动电子成像。约瑟夫·苏尔皮齐奥博士说：“这种技术比其他方法至少灵敏1000倍，使我们能对以前只能间接研究的现象进行直接研究。”

英国曼彻斯特大学的安德烈·吉姆教授团队研制出了引导电子流动的石墨烯通道，类似于引导水流的管道。研究人员用碳纳米管晶体管探测器对其进行观察和成像，他们观察到，石墨烯内电子在通道中心流动得更快；在壁上流动得更慢。

研究人员指出，电子可像液体一样流动，这有望催生新型电子设备，包括借助流体动力流降低电阻的低功率设备等。

研究人员解释道：“鉴于计算中心和消费电子产品耗能越来越多，且气候变化带来的影响不断加剧，找到使电子在电阻更小的情况下流动的方法势在必行。”

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