第一次波粒之爭

作者丨李春生（書房記團隊作者）

人類從孃胎裏出來的第一感受是光，是的，是光亮，沒有光亮，這個世界就只有無邊的黑暗。但光是什麼？當人們自認為對光的種種特點瞭如指掌的時候，光在本質上到底是什麼這個問題卻無人能夠準確回答。構成物質的基本物質是什麼？“原子是什麼？”光是最基本的物質嗎？

麵包的香味引起了古希臘哲人德謨克利特（約公元前460年～公元前370年）的思考，他猜想麵包的香味應該就是構成麵包的最小粒子，因此，理論上應該能分離出最小的麵包粒子，最終得到他想要的無法再分割的“原子”。但是，再薄的刀片也顯得太厚，無法切出麵包最小的粒子——原子。什麼是構成麵包的香味的元素——“原子”呢？

留基伯（Leucippus）是古希臘愛奧尼亞學派中的著名學者，他首先提出由不可分割的物質粒子構成物質的原子學說。他認為原子之間存在着虛空，無數微小的原子從古以來就存在於虛空之中，既不能創生，也不能毀滅，它們在無限的虛空中運動着並且構成萬物。德謨克利特是留基伯的學生，他繼承並發展了留基伯的原子學說，為現代原子科學的發展奠定了基石，為自然科學的發展做出了重要貢獻。他認為宇宙空間中除了原子和虛空之外，什麼都沒有。原子一直存在於宇宙之中，它們不能被從無中生有的創生，也不能被消滅，任何變化都是它們引起的結合和分離。

古希臘時代的人們總是傾向於把光看成一種非常細小的粒子流，即光是由一粒粒非常微小的“光原子”所組成，即微粒說（粒子說）。粒子說可以解釋光為什麼總是沿直線前進，用光粒子流在不同介質中的速度變化來解釋光的折射現象。

但粒子說的缺陷也是致命的：

1.不能解釋兩道光束在相互交錯時“光粒子”為什麼不會相互彈開；

2.不能解釋光粒子在同一介質中的慣性運動為什麼可以保持恆定的速度；

3.無法解釋光的波長和頻率問題。

17世紀，意大利數學教授弗朗西斯科·格里馬第（Francesco Grimaldi）做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔後照在暗室的屏幕上，發現投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第聯想到水波也會產生類似的現象。他由此推論光可能也是一種類似水波的波動。他創造了“衍射”一詞，這個詞源於拉丁語詞匯diffringere，意為“成為碎片”，即波原來的傳播方向被“打碎”、彎散至不同的方向。格里馬第提出光不僅會沿直線傳播、折射和反射，還能夠以第四種方式傳播，即通過衍射的形式傳播。

衍射現象是指波在傳播過程中，遇到障礙物繞過障礙物或縫隙時傳播方向發生變化的現象，是波的重要特性之一。只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象（但也不能比波長小太多，當孔的寬度為波長的大約3/10時波的衍射現象已經不明顯--與能量有關，能量會在傳播過程中轉化為內能或勢能）。波傳到小孔（或障礙物）時，小孔處（或障礙處））的波看作一個新的波源（惠更斯原理），由它發出與原來同頻率的波（稱為子波）在孔後的傳播，於是就出現了波線偏離原波線傳播方向的衍射現象。當孔的尺寸遠小於波長時盡管衍射十分突出，但由於能量減弱，衍射現象不容易觀察到。相對於波長而言，障礙物的線度越大衍射現象越不明顯，障礙物的線度越小衍射現象越明顯。光的衍射特性有力地證明瞭光的波動特性，這是最早的光波動說。

光的波動說有一個關鍵問題——是什麼物質在波動？我們知道水塘裏的水波是因為水在上下波動，聲波是空氣在振動。但是，光同樣可以在宇宙空間中傳播。這就帶來一個問題，水塘是由水構成，人類的空間由空氣構成，那麼宇宙空間由什麼構成？是空無一物的真空還是由某種物質構成？但是，有一點必須注意：“有”的反義詞是“無”，“無”的反義詞是“有”，不能是半有或半無。空間要麼由物質構成，要麼是空無一物的真空，不存在自欺欺人的充滿了物質的“真空”或“虛空”。

波只能是介質的振動，沒有介質就不能生成振動的波，空間介質是波動說的基礎。而如果光是細小的粒子流，那麼，光的恆速運動特性決定光粒子只能在沒有阻力的空無一物的真空環境中才可能保持恆速運動，任何慣性運動粒子都會因為空間介質的阻力的作用而逐步降低速度。所以，粒子說必須建立在空無一物的真空基礎上。由此我們發現，波動說和粒子說爭論的焦點不僅是粒子或是波，還有粒子和波的基礎——空間的性質問題，即空間是空無一物的真空還是由物質構成。

法國著名哲學家勒內·笛卡爾（Rene Descartes）是一個對科學思想的發展有重大影響的哲學家，他最先將以太引入科學，並賦予它某種力學性質。在笛卡兒看來，物體之間的所有作用力都必須通過某種中間媒介物質來傳遞，不存在任何超距作用。因此，空間不可能是空無所有的，它被以太這種媒介物質所充滿。以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球對潮汐的作用力。在1619年讀了德國天文學家、物理學家、數學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）的光學著作後，笛卡兒就開始關注着透鏡理論；並從理論和實踐兩方面參與了對光的本質、反射與折射率的研究。笛卡爾運用坐標幾何學從事光學研究，並在《屈光學》中首次對光的折射定律提出了理論論證。笛卡爾在其《方法論》的附錄《折光學》中率先提出了這樣的觀點：光是一種壓力，在媒質中傳播，即光是一種波動在以太中的傳播。

談到以太，就不能忘記另一位先賢。亞裏士多德（Aristotle）是世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家之一，希臘哲學的集大成者。作為一位百科全書式的科學家，他幾乎對每個學科都做出了貢獻。他的寫作涉及倫理學、形而上學、心理學、經濟學、神學、政治學、修辭學、自然科學、教育學、詩歌、風俗，以及雅典法律。亞裏士多德的著作構建了西方哲學的第一個廣泛系統，包含道德、美學、邏輯和科學、政治和玄學。以太是亞裏士多德所設想的一種物質。亞裏士多德認為，地球和地上萬物都由氣、火、水、土四種元素所組成，都是醜陋、不潔、不完美的，有變化和有生滅的。其中每種元素都代表四種基本特性（幹、濕、冷、熱）中兩種特性的組合。火和氣組成向上流動的“輕物”，水和土組成向下掉落的“重物”。而天體則是由“以太”所組成的純潔、完美、永恆的物體。他提出“上帝厭惡真空”，空無一物的真空不可能存在，宇宙所有的一切都由物質構成。雖然亞裏士多德認為天尊地卑，天體和地上物質的性質懸殊的思想受限於當時對宇宙的認識（當時世界其他文明對物質的認識也大同小異，都不過是氣、火、水、土、金而已）。當事實證明以太是構成宇宙物質的基礎物質之後，我們會發現亞裏士多德的以太概念是多麼的富有遠見。

伽利雷

16世紀末期，伽利雷從實驗中總結出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等，從而推翻了亞裏士多德物理學的許多臆斷（思想的完善是個漸進的過程），奠定了經典力學的基礎，反駁了克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）的地心體系，有力地支持了波蘭數學家、天文學家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）的日心學說。他通過流體靜力學對浮體的研究，發現所有物體都是“重物”，沒有絕對的“輕物”。天體和地球以及地上萬物在物質結構上是統一的。他認為真空也可能存在和產生，而且只有在真空中才能研究物體運動的真正性質，這就徹底推翻了亞裏士多德的物質觀。我們必須要記住一點，歷史上的所有先賢和現代的所有的科學工作者，一個人的某種觀點不正確，並不意味着他所有的觀點都不正確；一個人的某種觀點正確，並不意味着他所有的觀點統統正確。如果一個人的所有觀點全部正確，那麼終極理論早就誕生了，科學早就終結了。但事實顯然不是這樣的，人類的科學知識是一個緩慢積累的過程，每個人的觀點不斷經受新發現的考驗，而那些正確的東西才會沉澱下來。正因為科學是一個不斷演進的過程，我們對先賢們的觀點的看法也是不斷變化的。當波動說佔據上風時，以太的概念就被認為是正確的，而粒子說佔上風時以太就受盡嘲諷。

羅伯特·胡克

羅伯特·胡克（Robert Hooke）是17世紀英國最傑出的科學家之一。他在力學、光學、天文學等多方面都有重大成就。胡克是光的波動學說的忠實支持者，他認為光的傳播與水波的傳播相似，特別是1672年進一步提出了光波是橫波的概念，這是波動說重要的改進（因為當時人們還不知道橫波，光波被認為是和聲波一樣的縱波。縱波不能解釋今天稱為的光的偏振現象，也不能解釋光的直線傳播現象）。在光學研究中，胡克更主要的工作是進行了大量的光學實驗，特別是致力於光學儀器的創制，他還研究過光的干涉現象。他觀察和研究了肥皂水形成的薄膜和雲母片的顏色，發現它們的顏色跟薄膜的厚度和雲母的厚度有關，他發現，當光落在一個透明薄膜上時，薄膜的前後兩表面都要發生反射，從而共同產生薄膜顏色的效應。他認為，光必定是某種快速的脈沖（頻率），並在1665年出版的《顯微術》中明確地支持波動說。但是，因為持粒子說的牛頓的巨大影響力和現今粒子說處於的主導地位，胡克在科學發展史上的地位並沒有得到充分的重視。

荷蘭物理學家、天文學家、數學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huyg（h）ens）在胡克光的波動說的基礎上進一步發展。惠更斯在1678年給巴黎科學院的信和1690年發表的《光論》一書中都闡述了光的波動原理，即惠更斯原理。由於光可以在真空中傳播，因此惠更斯提出，荷載光波的媒介物質（以太）應該充滿包括真空在內的全部空間，並能滲透到通常的物質之中。惠更斯認為對於任何一種波，從波源發射的子波中，其波面上的任何一點都可以作為子波的波源，各個子波的波源波面的包洛面就是下一個新的波面。 他認為每個發光體的微粒把脈沖傳給鄰近一種彌漫媒質（以太）微粒，每個受激微粒都變成一個球形子波的中心。他從彈性碰撞理論出發，認為這樣一羣微粒雖然本身並不前進，但能同時傳播向四面八方行進的脈沖，因而光束彼此相交而不相互影響（請注意，惠更斯的思路是眾多微小粒子構成了波，本書也是這種類似的思路，而如果光是粒子束就會產生碰撞），並在此基礎上用“作圖法”解釋了光的反射、折射等現象。《光論》中最精彩部分是對雙折射提出的模型，用球和橢球方式傳播來解釋尋常光和非常光所產生的奇異現象，圓滿的解釋了光在光密介質中光速減小的原因（光速可變，對此粒子說沒有合理解釋），同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現象，認為這是由於冰洲石分子微粒為橢圓形所致。

惠更斯

惠更斯原理雖然可以預料光的衍射現象的存在，卻不能對這些現象做出解釋。它可以確定光波的傳播方向，卻不能確定沿不同方向傳播的振動的振幅。後來，法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）對惠更斯的光學理論作了發展和補充，創立了“惠更斯——菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現象，完成了光的波動說的全部理論。

對於以太和光的關系，瑞士數學家萊昂納多·歐拉（Leonhard Euler）的比喻非常直接：光對應的是以太，正如聲音對應的是空氣，並把太陽比喻為一個發出光的鈴鐺。［約翰·格里賓：《尋找薛定諤的貓》，海南出版社，2009年，第268頁］胡克和惠更斯提倡光的波動說都假定空間具有無所不在的以太，以此作為波動媒介。這時期的以太便稱為“發光以太”或“光以太”。但是，不幸的是，早期的波動說遇到了一位強有力的挑戰者，一個劃時代的科學巨人——艾薩克·牛頓爵士，又一個百科全書式的“全才”（另一位是亞裏士多德）。他的代表作是《自然哲學的數學原理》和《光學》。他在1687年發表的論文《自然定律》裏，對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了經典物理學的基礎。在光學上，他發明瞭反射望遠鏡，並基於對三稜鏡將白光發散成可見光譜的觀察，發展出了顏色理論。牛頓發現稜鏡可以將白光發散為彩色光譜，而透鏡和第二個稜鏡可以將彩色光譜重組為白光。他通過分離出單色的光束，並將其照射到不同的物體上的實驗，發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到，無論是反射、散射或發射，色光都會保持同樣的顏色。表明顏色是物體與特定有色光相合的結果，而不是物體產生顏色的結果。牛頓認為光是由粒子或微粒（Corpuscles）組成的，並會因加速（錯誤的）通過光密介質而折射，但他也不得不將它們與波聯系起來，以解釋光的衍射現象，但是，很遺憾，他始終無法解釋光的衍射現象。

1704年，牛頓的《光學》出版，牛頓詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環以及衍射實驗中的種種現象。

［牛頓環］

牛頓雖然在《光學》中提倡射流說（微粒說），但他也藉助以太的稀疏和壓縮來解釋光反射和折射。將波動說的振動、週期等引入粒子說，來解釋牛頓環這個粒子說無法解釋的問題。牛頓雖然發現了牛頓環，並做了精確的定量測定，可以說已經走到了光的波動說的邊緣，但由於過分偏愛他的微粒說，始終無法正確解釋這個現象。事實上，牛頓環實驗倒可以成為光的波動說的有力證據之一，可牛頓卻不從實際出發，而是從他所信奉的微粒說出發來解釋牛頓環的形成。他認為光是一束高速運動的粒子流，因此為瞭解釋牛頓環的出現，他提出了一個“一陣容易反射，一陣容易透射”的復雜理論。根據這一理論，他認為：每條光線在通過任何折射面時都要進入某種短暫的狀態，這種狀態在光線的進出過程中每隔一定時間又復原，並在每次復原時傾向於使光線容易透過下一個折射面，在兩次復原之間，則容易被下一個折射面的反射。他還把每次返回和下一次返回之間所經過的距離稱為“陣發的間隔”。實際上，牛頓在這裏所說的“陣發的間隔”就是波動中所說的“波長”。為什麼會這樣呢？牛頓卻含糊地說：“至於這是什麼作用或傾向，它就是光線的圓圈運動或振動，還是介質或別的什麼東西的圓圈運動或振動，我這裏就不去探討了。”牛頓的解釋牽強到偏離了最基本的科學軌道。但是，先別急着嘲笑，後世的測不準原理、費曼解釋、平行宇宙和多歷史解釋更加怪異，事實上，所有基於粒子說的解釋都帶有與生俱來的奇異性，這是粒子說無法治癒的頑疾。而直到19世紀初，英國科學家託馬斯-楊才用光的波動說圓滿地解釋了牛頓環實驗，我們會發現，所有粒子說無法邏輯自洽解釋的現象波動說都有一個更合理的解釋，只是，採用哪種解釋取決於粒子說和波動說誰佔據上風。

牛頓的分光實驗

隨着《自然哲學之數學原理》的巨大成功，以太由此進入沒落的時期。由於法國笛卡爾主義者拒絕引力的平方反比定律而使牛頓的追隨者起來反對笛卡爾哲學體系，連同笛卡爾倡導的以太學說也在被列入反對之列。隨着引力的平方反比定律在天體力學方面的成功，以及驗證以太存在的努力的失敗，光的波動說也被放棄了，粒子說得到廣泛的承認和追捧，牛頓那些“一陣容易反射，一陣容易透射”幼稚解釋也被認為瑕不掩瑜了。

事實上，牛頓雖然不同意胡克的光波動學說，但他也像笛卡爾一樣反對超距作用並承認以太的存在。在1675年的著作《解釋光屬性的解說》中，牛頓也假定了以太的存在，認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。在他看來，以太不一定是單一的物質，因而能傳遞各種作用，如產生電、磁和引力等不同的現象。牛頓也認為以太可以傳播振動，但以太的振動不是光，因為光的波動學說（當時人們還不知道橫波，光波被認為是和聲波一樣的縱波）不能解釋今天稱為的光的偏振現象，也不能解釋光的直線傳播現象。牛頓對以太的這種閹割式的承認同樣發生在後世的愛因斯坦身上（廣義相對論以太）。但是這種閹割式的承認同樣又陷入了另一個矛盾的怪圈。

光是粒子還是波，牛頓的觀點是左右搖擺的。惠更斯注意到牛頓無法用光粒子的概念解釋牛頓環現象。1678年，他在法國科學院的一次演講中公開反對了牛頓的光的粒子說。他說，如果光是微粒性的，那麼光在交叉時就會因發生碰撞而改變方向。為了保證慣性運動的恆速運動，空間必須是空無一物的真空，而波動說的光振動必須要有振動的媒介。面對粒子說版本的《光學》固有的邏輯困境，牛頓的解決辦法無疑是狡猾的，他在寫好《光學》文稿後並不急於發表，一直等到胡克和惠更斯兩位波動說的泰斗去世時才發表他的這本內含爭議的《光學》。這樣，他就可以利用他《自然哲學之數學原理》樹立起的權威壓制胡克和惠更斯之後波動說的無名之輩的反駁。牛頓的策略無疑是成功的，他成功的在他去世前樹立了另一座豐碑。但是，後世科學的發展證明，他的光粒子概念是有邏輯缺陷的。雖然從理論上講，牛頓如果認真面對波動說的解釋，認真思考光的波動特性，而不是因為憤怒而去爭強好勝去用粒子說的思想與他討厭的人（胡克）爭個高低，那麼，牛頓的理論就能成為一個完整的體系。但是，他始終沒能拿出更完善的解釋，畢竟人的壽命和精力是有限的，牛頓不可能在去世前解開光的本質之謎，因為21世紀的今天也依然是個未解之謎。所以，他先將並不成熟的、有限的成果公諸於眾也不失為一種實用的選擇。

第一次論戰，牛頓微粒說勝

就這樣，第一次波粒之爭以牛頓為首的粒子說的勝利告終。不過，牛頓用逃避爭論的方式來贏得爭論的勝利是暫時的，死去的對手當然不能反擊，當然沒有強大的反對聲音。但是，他的勝利並不會維持的太久，隨着更多實驗的發現，波粒之爭的天平終將倒向波動說一方。也可以這樣說，牛頓只是用他的權威暫時冷藏了波動說與粒子說的矛盾。但是，當陽光重新照耀大地，他勝利將會像陽光下的冰塊一樣融化。

李春生，湖北老河口人，現居廣州。理論物理學愛好者。著有《一隻大象——體系與體系的對話》。