图说量子史话（上）|光本性之争

大家好，我是胜杰不胜阳。

兴趣经验分享尽在每周一物，每周六准时分享一物。

现如今互联网正在极大地改变着我们的生活，互联网的兴起离不开上个世纪基础科学的伟大突破——人类物理学从经典物理向现代物理学巨大跨越，而这个跨越就是从物理学家们研究光到底是什么开始的，进而最终建立起量子理论推翻了经典物理大厦。

序

提起量子（quantum），很多人内心会自动涌起高深不可莫测之感，其实量子真的是很好理解的基本理论概念，只是某一理论概念，并不是某种物质。这个词来自拉丁文，意为“有多少”，在物理学中表示为“最小不可分割量”，是离散的、不连续的概念（只能取一个个的整数），是完全区别于经典物理的连续、无线分割的。

说完量子的概念，它的发现史还得从人类认识光开始说起，实实在在的光一直向人类保持着最为神秘的面纱，光到底是什么？在对光的不断认识中衍生出了众多基础学科的问题，量子理论就是在这一过程中逐渐发展起来的。

光本性问题——伟大的波粒战争

17世纪，意大利，格里马第（Grimaldi）,设计了小孔衍射实验，首次提出“光的衍射”概念，光的波动学说。

1665，英国，胡克（Hooke）,利用自己制造的仪器重复了衍射实验，创立光的波动学说。

1672年，英国，伟大的牛顿（Newton），利用三棱镜色散实验说明光是粒子，具有融合叠加效应，确立了光的微粒说。

并在很多方面与胡克展开了长久的争论，最后转变为对胡克的憎恨。

1690年，荷兰，惠更斯（Huygens），发表《光论》，提出惠更斯原理，利用折反射定律说明了光是一种波。

1704年，英国，牛顿（Newton），在胡克死后出版巨著《光学》，颜色叠加原理，提出光具有振动、周期等粒子性概念。

由于牛顿的伟大贡献，光是一种粒子似乎成为主流，粒子说基本战胜波动说，波粒之争暂时告一段落，粒子说开始了长达一百多年的统治地位，但是衍射现象仍然是粒子说头上挥之不去的阴云。

1807年，英国，托马斯·杨（Thomas Young），在《自然哲学讲义》中详细描述了光的双缝干涉实验，发现了光干涉相消相长，并通过计算预言了明暗条纹。给了牛顿的粒子学说沉痛一击。

1819年，法国，菲涅尔（Fresnel），利用几何数学的方法，提出了光的折反射“菲涅尔公式”，并首次提出光是一种横波，光是一种波从此重新站上历史舞台。

1850年，法国，傅科（Foucault），首次在地球上测量出了光速，并发现光在不同介质中光速不同，从侧面强力支持了光的波动说。

1861年，英国，伟大的麦克斯韦（Maxwell），在创立完善了电磁理论后，在《论物理力线》中预言光也是一种电磁波，存在一种”光场“。从此“场”论兴起。

很快，1887年，德国，赫兹（Hertz），在电磁波的实验中发现光能影响电磁波，证明了麦克斯韦的猜想，光在电磁理论大厦中站稳脚跟，几乎再没给粒子说机会了。

1900年，英国，开尔文（Kelvins）在20世纪新年演讲中发表了著名的“乌云演说”——”十九世纪末，物理学的大厦已经建成，晴朗天空中的远处飘浮着两朵的令人不安的乌云...“在这两朵乌云中，经典物理学受到了极大的挑战，暴风雨即将摧枯拉朽地袭来。光本性的战争也几乎成为席卷整个物理学的战争。

两朵乌云后的狂风暴雨带来了相对论和量子物理，物理学家们也逐渐从光本性的研究中扩大到了世界本性的研究之中来。一场改变人类物理学甚至是伦理学的大幕缓缓拉开……

我是胜杰不胜阳，我们下周六不见不散。