光到底是什麼東西

金尚，本名李紅豔，壹點靈平臺心理諮詢師

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文|金尚

一、波粒之爭

古希臘認為光是由“光原子”小顆粒組成的；古中國認為光是由氣產生的，是氣發出的一種特殊源。

光的系統研究，起源於哲學家兼數學家笛卡爾。笛卡爾在《折射》一書中，首次提出了光的折射原理。他解釋了人們視力障礙的原因，並設計了矯正視力的鏡片。

笛卡爾提出了光的波動理論雛形，後來分別有多位物理學家逐漸發展了光的波動理論；在1690年，物理學家惠更斯正式提出了光的波動理論。波動理論認為，光是 一種以光速傳播的波。什麼是波呢？波是某種東西在傳播過程中振動的現象。比如，水波是由水的振動而產生的；聲波是由空氣的振動而產生的。

但在1900年，物理學家普朗克有了一個驚人的發現：物體熱輻射所發出的光，其能量並不連續，而是一份份的，大小等於光的頻率乘以一個很小的常數，叫普朗克常數。我們所說的“量子化”，其實就是指這種物理量本身不連續、而是一份一份能量的特性。

與此同時，牛頓也不認同光是波，而認為光是一種粒子。他認為光是由非常奧妙的微粒組成，光的分解和複合就如同七種顏色微粒的混合和分開。粒子理論由此產生。

牛頓與惠更斯在波粒子中掀起了多達300人的爭論。後來，牛頓出版了《屈光學》，從粒子的角度闡明瞭反射、折射、透鏡成像、眼睛動作模式、光譜等方面的內容。他逐一提出了波動理論無法解釋的問題，駁斥了惠斯當時的光波動理論。隨著牛頓權威力量的普及，牛頓的粒子學說，在很長一段時間裡，壟斷了光的解釋能力。

當著名科學家托馬斯·楊在研究牛頓畫的明亮條紋時，突然問道：“為什麼會形成干涉條紋呢？”他想，“用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，正好是波峰和波峰相遇衍射，而產生了兩倍的亮度效果；灰暗的地方，恰是波峰和波谷相遇衍射，從而一正一負相互抵消，亮度為零“。

如果把光看成是波，因為波（例如水波、聲波）遇到物體時會具有衍射和擴散的特性，那麼我們就無法解釋光為什麼會沿直線傳播；而如果把光看成是粒子，根據粒子交叉時會發生碰撞和反彈的特性，這樣就無法解釋為什麼幾束光交叉照射時，會彼此毫無障礙地穿過。

二、波粒二象性

那麼，光到底是什麼？

1、光是波

在一個矩形紙箱中分別豎立帶有一個狹縫、兩個狹縫、沒有狹縫的擋板，在一個狹縫擋板前面，用一個手電筒照射這個狹縫。我們看到，光在先後透過一個狹縫的擋板、兩個狹縫的擋板之後，在沒有狹縫的擋板上，所形成的是，和水波穿過雙縫的干涉條紋一模一樣。

光的干涉條紋無可辯駁地證明了，光是以波的形式穿過雙縫，由於波的衍射和擴散特性，光在第三塊檔板的干涉條紋也證明了光是一種波。也就是說，光像水波像一樣的穿過了雙縫。

光的干涉條紋無可辯駁地證明了，光是以波的形式穿過雙縫，由於波的衍射和擴散特性，光在第三塊檔板的干涉條紋也證明了光是一種波。也就是說，光像水波像一樣的穿過了雙縫。

2、光是粒子

為了觀察光子是如何透過雙縫的，我們在第二塊擋板後面擺放了一個攝像機。

當我們用光子槍發射光子穿過雙縫時，我們會看到，光子以顆粒狀的形式一個一個地穿過雙縫。在後面的牆上，我們不會看到干涉條紋，而是會看到兩道直線條紋，就像隨機子彈一樣。

這兩條直線條紋的出現無可辯駁地證明了，光子是像子彈一樣的作為單個粒子穿過了雙縫。透過攝像機，我們看到牆上出現了的兩條光子條紋，證明了光子是粒子。

3、光既是波，也是粒子

現在糾結的一個問題是：當你移開攝像機，光子干涉條紋又會出現，這讓你不得不相信光子是以波的形式穿過兩個狹縫的。

而當擺上攝像機，由於有觀察者，光子又逐個顯示為粒子，每個粒子透過狹縫，然後在牆上又會重新出現兩道條紋 。

這個實驗的結果是，你去看時，光子就是一個粒子；而如果你不看，光子就是波；波無處不在，而粒子是具有一定空間位置的東西。

真正提出光的”波粒二象性“理論的是德布羅意。1924年，德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中首次提出“波粒二象性”。他指出”波粒二象性“不僅存在於光子中，而且存在於所有微觀粒子中，包括電子、質子和中子。

德布羅意的理論揭示了每一個微粒都具有”波粒二象性”。之後，各種粒子的衍射實驗被證明是成功的，德布羅意的理論完全無懈可擊。“波粒二象性”是量子理論發展中的一個基本概念，是微粒子的固有屬性，是微觀世界的基石。

上帝開了一個大玩笑，許多科學家為了一個並不“非此即彼”的理論，參與了300多年的”諸神之戰“。而在這場持久而大規模的爭論中，最終沒有輸家，因為他們在試圖捍衛的理論是正確的——正確了一半。

三、不確定性原理

物理學家拉普拉斯說，如果能知道某一時刻所有物體的運動狀態，就能知道未來發生的一切。所謂的運動狀態包括了兩個部分，一個是物體的位置，另一個是物體的運動速度。在物理學中通常用動量來代替速度，因為，動量等於質量乘以速度。拉普拉斯其實是告訴我們，只要在某一時刻同時測出物體的位置和動量，就可以精確地預測出它以後的運動情況。

但是海森堡發現，在微觀世界裡這一結論是不成立的。你根本無法同時測出物體的位置和動量。在微觀世界中，如果你想要測出粒子的位置，那麼動量就一定測不準；反過來，如果你想要精確的測出它的動量，位置就一定測不準，這就是海森堡不確定性原理。

我們測一個物體的位置，首先得看見它，每種光都有自己的波長，如果光波長比物體還長，那它就反射不回來了，所以我們無法看見尺寸小於光波長的物體；要想精確的測出物體的位置，就要儘可能的用波長短的光。

然而光波長越短，光子能量就越大，能量大的光子打到特別小的物體上，就會干擾到原來的運動狀態。一個皮球在地上滾，小狗撲上去，皮球的運動軌跡立刻就變了。所以能量越大的光子，也就越會干擾到自身的運動狀態。這意味著用波長短的光就沒辦法測準物體的動量了。

現在我們已經知道了，微觀世界的粒子遵從海森堡不確定性原理，它的位置和速度不可能被同時測準，因此無法精確地算出它未來的運動情況。 事實上，微觀粒子根本沒有確定的運動軌道，而是像雲霧似的彌散在很多地方。

儘管海森堡推匯出”不確定性原理是量子世界的內在本質屬性“，但是他本人卻無法說清楚為什麼會這樣。然後，物理學家玻爾在看到海森堡不確定性原理之後，發現了這與他一直在思考的哲學問題有關聯，並由此發展出了互補原理：量子是粒子屬性與波動屬性的統一體。

玻爾認為，在量子世界，量子的粒子屬性和波動屬性是相互對立和統一的。對量子粒子屬性的確認，就是對量子波動屬性的排斥。反之亦然，量子無法同時擁有兩個屬性，量子是波動屬性與粒子屬性之間的陰陽對立的統一體。

據說，玻爾發現這個原理，是受到了中國太極圖的啟發。波動屬性和粒子屬性，都只是分別描述了世界的一部分真實性，只有把二者統一起來，才能準確的瞭解量子本身。

事物都是彼此制約、互相限制的，不確定性原理正是反映了自然界的這一本質。二者結合在一起發生相互作用， 從而決定了自然界的所有現象，包括人類的活動。

這量子理論和《易經》中的陰陽思想是殊途同歸的。玻爾很喜歡中國的太極圖，認為可以用來表達他非常看重的“互補原理”，在他自己設計的一個徽章中，就把太極圖放在了顯眼的位置。