摘要：光是我们每个人“见的最多”和“用的最多”的东西。我们虽然每天都用得理所当然，但很少有人静心去想想光的本质是什么，什么叫光。文章主要通过光学发展史上一些重要的事件和人物，向大家简单介绍一下人类对于光的认识过程和光的本质之争。

关键词：光;光学;认识;本质

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0066-02

光自古以来被认为是宇宙最原始的事物之一，比如在西方的《圣经》中，神要创造世界，首先也要创造光，再比如大家日常生活耳熟能详的神话故事中，往往也喜欢说“一道亮光划过宇宙，于是有了世间万物”。光在人们心中的地位无与伦比，世界各国都有相关的故事和传说流传，也有相关的神祇受到崇拜。光是我们每个人“见得最多”和“用得最多”的东西，可以想想：没有光的世界将是什么样？我们每天都享受着光带来的恩赐，但光的本质是什么？什么是光？我们怎么看见光？这一切仔细想来确实很奇妙，光看得见但摸不着，感觉似乎凭空被创造，既觉得简单又仔细想来很深奥，那么这一切到底是如何发生的呢？

一、光的早期认识和光学学科的建立

古希腊时代，人们猜想光是一种从眼睛里射出去的东西，人的眼睛是由女神阿芙洛蒂忒用火点燃的，当火元素喷出到达物体时，就所谓“看见”了物体，现在我们显然觉得这种假设不对，比如这种观点不能解释在黑暗的环境里为什么睁开眼睛也看不到物体的事实。当时人们为了解决这些疑问和困难，又继续引进很多其他更加复杂的假设，比如古希腊代表人物——著名哲学家柏拉图，他把光分为三种，即人眼发出的光、物体发出的光和光源发出的光，认为视觉是这三种光综合作用的结果，这种结论和假设现在想来不太符合科学极简主义原则，显然太过于复杂。

对光成像正确的认识直到公元1000年左右，科学家哈桑研究了光进入眼球后的折射效果和著名的小孔成像实验（注：其实两千四五百年前，中国的墨子和他的学生就做了小孔成像实验，《墨经》中有记载许多光学现象，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等），最终对光成像形成了正确的认识：我们之所以能看到物体，只是由于光从物体上反射进我们眼睛里的结果。哈桑的阿拉伯语的著作《光学全书》随后被翻译传入西方，并被培根发扬光大，从而为现代光学的建立打下了基础，于是人们开始纷纷研究光的各种传播行为，如欧儿里得（Euclid，公元前约330—260）的《反射光学》研究了光的反射，托勒密、哈桑和开普勒分别对光的折射进行研究，斯涅耳在前人工作的基础上1621年总结出光的折射定律，最终光的各种性质被法国“业余数学之王”费马用最简洁的语言——“光总是走最短路线”进行总结，从而光学作为一门物理学科终于被正式确立，也奠定了几何光学的基础。

就当人们感觉对光的各种传播行为非常了解的时候，其实关于光有一个最基本的问题仍然没有解决，那就是“光的本质是什么”。这个问题乍听起来没有那么困难去回答，但是后来我们发现对于这个问题的回答持续和争论了几百年，也带动了物理学的发展。

二、光的本质是什么？

古希腊时代，人们把光看成是细小的粒子流，这种说法很符合当时的“元素说”，这也是最早的关于光的本质的“微粒说”，这种说法直观看起来很有道理，可以解释光的直线传播、反射甚至折射，但也有一些问题不能解释，比如：人们当时很难说清楚两束光相遇，如果光是微粒，那么为什么不会发生碰撞而弹开，还比如光源点亮之前这些粒子隐藏于何处、粒子的数量是多少等。

黑暗的中世纪过去之后，人们对自然界的探索更进一步，波动现象被深入地了解和研究，并进一步深入人心，如认为声音是一种波动等。1665年，意大利数学家格里马第做了一个实验，他让一束光通过两个小孔后发现投影的边缘有一种明暗条纹，他马上联想起水波的衍射图样，猜想光可能和水波相似，光可能是一种波，如果光是波的话，很容易解释条纹存在，这是最早的关于光的本质的“波动说”。但是“波动说”有一个基本的难题：当时人们认识的波是需要介质传播的，但是光好像不需要任何介质就可以传播，如星光可以穿过太空来到地球被人眼所看到，这对“波动说”显然非常不利，然而“波动说”很巧妙地摆脱了这个难题，假设了一种所谓的“以太”介质来实现光的传播。在这种假设中“波动说”正式登上历史舞台，命中注定要和“微粒说”展开一场长达数个世纪的战争。

三、关于光的本质的“波粒大战”

开始由于“波动说”和“微粒说”双方力量都比较薄弱，并且都能解释一些实验现象，双方都拥有自己的阵地，起初并没有发生冲突。

导致历史上“第一次波粒战争”的导火索是关于物体颜色属性之争。1663年，波义耳提出一个理论：物体的颜色不是物体的本身屬性，而是光照上去才产生的效果，并且记录了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹，此后胡克重做了相关实验，判断光必定是某种快速的脉冲，并且在他1665年出版的《显微术》中明确支持“波动说”，由于这位权威大将的加入，“波动说”似乎一时占了上风。1672年初，一位叫牛顿的年轻人因为制造出一台杰出的望远镜而当选皇家学会的会员，当时牛顿只有29岁，雄心勃勃，意气风发，正准备在光学和仪器方面大展拳脚，1672年提交了一篇论文《光和色的新理论》，其内容是关于他的三棱镜色散实验，认为白色光是由七色光混合而成，在其中的理论部分牛顿认为光的复合和分解是不同颜色微粒的混合和分开，《光和色的新理论》一文遭到以胡克为主席的皇家学会评议委员会的一致批评，胡克作为当时光学和仪器方面的权威给牛顿来了一个下马威，牛顿勃然大怒，花了四个月时间写了一篇洋洋洒洒的文章进行驳斥，从而胡克大言不惭在前，牛顿恶语相讥在后，不可避免地成为终身死敌。虽然之前微粒只有牛顿的一个假设，牛顿也没有完全否定“波动说”，但随着胡克和牛顿两人的关系进一步恶化，牛顿开始一边倒地支持“微粒说”，导致历史上第一次“波动说”和“微粒说”冲突的开始。

随后荷兰科学家惠更斯登上历史舞台，他继承了胡克的“光是一种在以太里传播的纵波”的思想，并引入了波前的概念，成功地证明了光的反射和折射定律，解释了光的衍射、双折射，甚至可以解释1675年牛顿发现的“牛顿环”，特别是1690年惠更斯的伟大著作《光论》的出版，标志“波动说”达到兴盛的顶点。

但是“波动说”的得势注定要成为泡沫，1704年（胡克死后第二年）牛顿划时代的辉煌巨著《光学》出版，书中驳斥了波动理论，详尽地阐述了光的色彩叠合和分散，以力学体系作为强大后盾，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环和衍射实验的种种现象，提出了波动理论无法解释的问题，至于粒子方面的难题，牛顿也用自己的天才加以解决。由于当时的牛顿已经成为科学史上神话般的人物，而波动大军无人应战，因此“第一次波粒大战”以波动的惨败而结束，波动被迫转为地下，整整一个世纪抬不起头。

转眼一个世纪又过去了，当人们差不多都忘记了“波动说”的时候，一个英国男孩的诞生改变了这一切，1807年托马斯·杨总结出版了《自然哲学讲义》，其中综合整理了光学方面的工作，并且第一次描述了他那个名扬四海的实验——杨氏双缝干涉，点燃了“第二次波粒大战”的导火索。

随后，1821年菲涅尔发表了《关于偏振光线的相互作用》，用横波理论成功地解释了光的偏振现象，从而攻克了波动学说最难征服的据点，导致了“微粒说”在偏振问题上的失守。1850年傅科准确地得出光在真空中的速度之后，又进行了水中测量，发现光在水中传播速度小于真空中的速度，此结果彻底宣判“微粒说”的死刑（注：“微粒说”认为水中传播速度大于真空中的速度）。

然而“波动说”有个甩不掉的尾巴——“以太”，当然这个困惑也没有持续太久，胜利时刻也即将来临，伟大的科学家麦克斯韦分别于1856年、1861年和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文，电磁理论预言：光是电磁波的一种，1887年，赫兹通过实验验证了麦克斯韦的预言。

至此，关于光的本质的争论似乎画上一个圆满的句号，光的波动本质似乎成为一个板上钉钉的事实，但是事实并非如此，1905年爱因斯坦在光电效应实验基础上提出“光量子”观点，并且发表论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》，表明光仍具有“粒子性”的一面。

关于“光的本质”之争持续大约三百年，这也许是物理史上持续时间最长和程度最激烈的一場论战，它贯穿光学发展的全过程，虽然过程惊心动魄和跌宕起伏，但它使整个物理学发生翻天覆地的变化，促进了整个光学乃至物理学的发展。

参考文献：

[1]曹天元，上帝掷骰子吗：量子物理史话[M].沈阳：辽宁教育出版社，2008.

[2]Anton Zeilinger，Nature，2000，（408）：639.

[3]Tegmark and Wheeler，Scientific American Feb 2001：68.