“上帝”说：要有光明！所以有了光，地球就有了光，世界就充满了无限的欢乐。但是全能的上帝留给我们一个非常困惑的问题：光是什么？几千年来，无数的学者和哲学家一直在思考这个问题。这个问题的答案几乎包括了人类历史上最聪明的智慧。古希腊人喜欢讨论问题，对光很好奇。毕达哥拉斯首先解释说，光是一种光源周围发射的东西，当遇到障碍物时会被反弹。

接着托勒密在《光学》一书中描述了光的折射，达芬奇也描述了光的反射并试图解释它。然后开普勒和斯内尔给出了光的折射定律的数据，但是他们没有发表他们的研究成果 。

直到数学家笛卡尔提出光在折射中折射规律的数学几何表达式，他对光同时留下了两种可能的解释：一种是光是一种类似于粒子的物质；另一种是光是一种以“以太”为介质的压力，它可以是波。光究竟是什么？不计其数的人继续对此进行讨论甚至争论。

“波动说”和“微粒说”

意大利数学家格里马蒂说，光是波。他让一束光线穿过两个小孔，投射到暗室的屏幕上，发现屏幕上有光影条纹。这与水波的衍射非常相似，它显示了光的波动。

光应该是波，英国物理学家胡克如是说。因为他用肥皂泡和薄云母重复了格里马蒂的实验，他认为“光是以太的一种纵向波”，而且光的颜色和其频率有关。

“光怎么可能是波？它就是一个粒子”，英国物理学家牛顿说。1666年，牛顿发现用棱镜可以把白光分成不同的颜色，不同的单色光也可以合成白光，因此他成功地解释了光的色散。牛顿的分光实验使得光学从几何光学向物理光学迈进。牛顿认为光应该由粒子组成，并且走最快的直线。光的分解和合成是不同颜色粒子分离和混合的结果。

所以围绕这个问题有两个学派——“波动派”和“粒子派”。事实上，牛顿起初并不特别反对波动派，但“粒子派”挑战了胡克等先前的“波动派”，一系列争论最终导致了牛顿和胡克终生的个人仇恨。胡克说，牛顿的一些研究是基于他的研究基础，牛顿冷笑道：“那么说我就是站在巨人的肩膀上了！”

1678年，荷兰科学家惠更斯出版了《光的理论》，并发表了反对粒子理论的公开演讲。牛顿非常生气——作为当时世界上最聪明的人，他很快就找到了“波动派”的“弱点”用粒子理论解释了光的现象。

这些理论都写在他的《光学》一书中。这本书出版时，胡克和惠更斯已经不在人世，“波动派”也衰落了。牛顿利用他在力学上的卓越声誉，轻易地发展和统一了“微粒学派”。虽然不是千秋万载，但它统治了整个18世纪，这就是权威的力量。

东山再起的“波动说”

历史的车轮总是向前滚动。在新自然哲学思潮下，权威不一定受到质疑。从1800年到1807年，托马斯·杨再次高举波动说理论的旗帜。作为新一代的领导者，杨运用物理学中最有力的研究方法：理论预测和实验验证，再进行理论解释，逐步完善了波动理论。

杨首先把光和声波进行对比，认为光在叠加后也有增大或减小的现象——光的干扰。他做了著名的杨氏双缝干涉实验，在理论上迈出了关键一步：光不是纵波，而是横波（传播方向与振动方向垂直）。十年后，法国土木工程师菲涅尔充分发挥业余兴趣，从理论上对光的干涉进行了预测。在理解了托马斯杨的工作之后，他进行了实验验证，并成功地建立了光的横向传播理论。之后，波动派终于再次崛起，继续向前发展。

19世纪末，法拉第等人对电磁学的深入研究使人们初步形成了一个概念：光实际上是一种电磁波。1872年，麦克斯韦用四个方程完美地解释了所有的电磁现象，并推导出电磁波是以光速存在和传播的。

我们看到的可见光实际上只是一种电磁波。1888年，德国赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在！光不仅是波，而且是电磁波。除了光，无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等都是电磁波。它们之间的区别在于它们有不同的频率。到目前为止，波动理论是完善的。

“波动说”的烦恼

然而，最完美的理论也是有缺陷的。人们总是困惑于这样一个问题：既然光是波，那么什么是传播光的载体？

笛卡尔说是以太，那么以太是什么？为什么我们人类看不见？以太，源于希腊语，最初指的是神在天空中呼吸的空气。无色、无味、无声、无所不在于宇宙间的物质。孔子的“仁”，墨子的“兼爱”、佛教的“慈悲”、基督教的“灵魂”，都是以太功用的结果。简而言之，以太是过去和未来最神秘的物质。寻找以太的过程也充满了哲学和宗教的感觉。以太已成为19世纪物理学家谈论最多的话题。根据已知的光的性质，推测以太是传播剪切波的固体介质，是一个绝对静态的参照系。

但是由此一来，固态的以太则可能影响天体的自由运动，而横向的振动也很可能引起纵向的振动。在关键时刻，还需要实验来说话。1887年，迈克尔逊和默里进行了“以太漂移”实验。这是一个非常微妙的实验：如果地球相对于绝对静止的以太运动，那么如果光沿着这个方向运动，那就是光速和地球运动速度的叠加，并且沿着这个方向的传播速度更小。

通过测量两束光形成的干涉条纹数，可以准确地得到两束光之间的光程差，进而得到两束光之间的速度差。因此，只要在不同方向上测量干涉仪，就可以确定地球相对于以太的速度方向和大小。

结果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向几乎不变，换句话说，以太是不存在的！人们开始惶然不知所措。事实上，在实验结果出来之前，瑞士某专利局的一名小职员就指出，如果放弃所谓绝对时间之类的概念，那么绝对静止的参照系——以太的概念也可以扔掉。人们要接受光速不变原理，那么就可以得到物体在接近光速情况下高速运动的物理、学，在那里运动的钟会变慢，运动的尺子会缩短。这个新物理学叫相对论，那位叫爱因斯坦的小职员作为20世纪最为卓越的物理学家开创了现代物理新世界。

波动说的烦恼还不仅仅在于找不到“以太”这个载体，更可怕的乌云一朵接一朵地飘来。当时的实验还有另一个现象：当用紫外线照射两个金属球时，电火花似乎更易出来，即光对金属的照射可以产生电子。这就是光电效应的发现，爱因斯坦后来对其做出了解释，他认为光以粒子形式入射到金属上，金属电子将吸收其能量并逃逸出来。光的微粒说再次浮出水面！爱因斯坦把光的微粒叫做“光子”。

光子的概念并不是他的原创，而来自于德国的普朗克对黑体辐射的解释。

普朗克通过引入一个新的概念——把光的能量分成不连续的许多份，每一份叫做能量的“量子”，通过统计能量量子的分布，就可以得到完全符合实验谱线的黑体辐射理论公式。把能量看成不连续的量子化，这在当时绝大部分科学家心目中是不能接受的。普朗克也因为引入能量量子而心中不安，他甚至内疚地认为不应该对经典的电磁理论提出质疑，因为它是那么地完美无瑕。只有年轻大胆的爱因斯坦，不仅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解释光电效应。新的微粒说——光的量子说由此诞生。

粒子就是波？

如果光具有量子化的粒子性，那么其他电磁波会如何？1923年，康普顿发现x射线被电子散射后频率会变小，即x射线也有粒子性。更有趣的问题是，那原先人们认为是粒子的电子等会不会有波动性呢？1927年，杰默尔和汤姆森先后证实了电子束的波动性质，随后人们还发现氦原子射线、氢原子和氢分子射线均具有波的性质。事实上，如果让可见光、x射线、电子甚至中子穿过合适的物质都可能发生衍射现象，即波强度存在增强和减弱的效应，而“合适”的物质，实际就是其间隙和射线的波长相比拟——这正是波发生衍射的条件。这下麻烦更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，还是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？彻底把大伙儿给搞糊涂了。

正是在粒子和波的混沌中，物理学迎来了历史上最伟大的革命——量子力学的诞生。早在1913年，玻尔就用量子化能量的概念成功地解释了原子行星模型。1924年，法国德布罗意提出了波粒二象性的概念，光不仅具有波粒二象性，而且几乎所有的微粒或电磁波都具有波粒二象性。这样，粒子就是波，波就是粒子，两者都是同一对象的两个属性。

今天，关于光的粒子理论和波动理论的争论已经逐渐成为一个遥远的传说。只有在漫长的历史长河中，才有无数的智者留下来，照亮未来。

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