光是波还是粒子

阳光、灯光、曙光、寸光、光阴如梭……跟光有关的词汇一大串，光是人类认识外部世界的工具，是信息的理想载体或传播媒质。光的研究历史悠久，光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名，但人类对于光的本质的理解却经过漫长的过程。光的本性是什么？17世纪，有“波动学说”和“粒子学说”两种观点。荷兰人惠更斯创立光的波动学说，认为光是一种波动，和声音一样依靠媒质来传播。与光的波动学说相对立的是牛顿提倡的微粒说，认为光是一束由发光体射向被照物的高速微粒，该学说能直观地解释光的直线传播及反射、折射等现象，被普遍接受。19世纪，光的干涉和衍射现象被发现后，波动说得到广泛承认。19世纪后期，英国物理学家麦克斯韦推导出光和电磁波在本质上是相同的，确定了光实际上是一种电磁波，并不是同声波一样的机械波。1888年，德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在，从此奠定了光的电磁波理论，能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多现象，但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质。随后，光电效应及康普顿效应的发现无可辩驳地证明了光是一种粒子。光到底是什么？波还是粒子？人们迷茫了。光既是一种频率很高的电磁波，又是粒子，即光量子（简称光子），即光具有波粒二象性，就像水滴和水波的关系，这是现代物理学给出的回答。光的波动说与微粒说之争从17世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，到20世纪初以光的波粒二象性结束，前后经历了300多年时间。牛顿、惠更斯、托马斯·杨、菲涅耳等著名的科学家成为该论战的主辩手，正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。

光的干涉、衍射、偏振现象证明了光是波，此波不是如声波、水波那样的机械波，而是电磁波，是统计意义上的波，即概率波。最先观察到光的干涉现象的是英国物理学家托马斯·杨，在1801年的双缝实验中发现，几道频率相同、振动方向一致且相位差恒定的光波在空间中互相叠加时，会导致某些区域始终增强，某些区域始终减弱，出现强弱相间、明暗相间条纹的稳定分布规律，据此还解释了薄膜干涉现象，说明了薄膜呈现彩色的原因。光的干涉主要运用在平面测量领域和卫星导弹领域，其中最具代表性的是迈克尔逊干涉仪和干涉滤光镜。迈克尔逊干涉仪多用在检测平面是否平整，如要加工高精度的平面玻璃板，利用样板和待测件的表面接触，在之间形成空气薄膜，利用光的干涉看薄膜上是否会出现条纹弯曲的现象，通过条纹的变化就能看出待测表面是否偏离平面。阳光下五彩缤纷的肥皂泡，雨后马路上水面的彩色条纹，都属薄膜干涉。自然光是一种电磁波，在垂直于传播方向的平面内包含着一切可能方向的振动，且在任一方向上都具有相同的振幅，即振动方向是对称的。当光的振动方向对于传播方向不对称性时，便成了偏振光。偏振是光传播的一种特性，是光的波动性的又一例证，当光被反射或通过某种介质时，偏振状态可发生改变。生活中，所有的液晶屏都有一层偏振膜。偏振眼镜，包括太阳镜和3D眼镜，汽车的挡风玻璃，摄影的偏振镜都有利用偏振。当两块偏振镜片重叠的时候，改变角度可以看到近乎全黑。太阳很烈，地面反射的偏振光很刺眼时，可借助偏振太阳镜消除偏振强光，有效去除（或抑制）眩光发生。很多读码器兼容偏振功能，通过配备半偏振及全偏振镜头罩，消除成像反光等情况，实现二维码图像的清晰获取。为克服玻璃、塑料和金属等反光表面产生的多余光线、反射、朦胧和眩光影响，偏振相机借助偏振可获得较清晰图片。人们使用偏振镜看栩栩如生、身临其境的立体电影。章鱼、蜜蜂和蜘蛛靠偏振光来行走。

不见其人，只闻其声，是声音的衍射。波在传播中遇到障碍物，会绕过障碍物，呈现路径弯曲，在障碍物背后展衍的现象称为波的衍射。光的衍射现象是光的波动性最直接、最有力的实验证据。光照射刀尖部位，投影会有光亮的圈、线、点，这是光的衍射。衍射用于光谱分析、衍射成像、结构分析等。比如常使用X射线衍射来分析晶体的结构。

光纤通信、内窥镜利用了光的全反射，放大镜、望远镜利用了光的折射。光电效应指光照射金属表面会使其发射出电子的效应，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，法国物理学家德布罗意提出“物质波”假说，认为一切物质都具有波粒二象性。光电效应在生活中的应用有微光夜视仪、光电管、光鼠标等。

现今，光在电子（电脑、电视、投影仪等）、通信（光纤）、医疗保健（γ光刀、B超仪、光波发汗房、X光机）等方面应用越来越广泛。

让我们一起来做小实验吧

[器材]

长条形空纸盒、平面镜片、剪刀、手机、缝衣针、包香烟的锡箔纸、0度偏振片、90度偏振片、透明圆管。

1[简易潜望镜]

用剪刀在长条形空纸盒上45度角刻出两条平行缝隙，镜面相对插入缝隙中，两侧有镜片处各开个观测小孔，透过一个小孔就可以看到另一个小孔前的物品了。

2[圆孔衍射]

用缝衣针在锡箔纸上戳个圆孔，打开手机手电筒光，照射圆孔投射到墙壁上，可以看到中间是个亮斑，周围是明暗相间的环形条纹。

3[“穿墙而过”]

0度偏振片叠放在90度偏振片上，转动上方偏振片，可看到亮度发生改变直至全黑状态，这是光的偏振现象，把两个偏振片卷成圆筒状对接在一起，发现周围透光，交接处黑乎乎，似一堵黑墙。把偏振片裹在透明圆管上，里面放入合适小球，转动圆管，小球神奇地“穿墙而过”。