关于物质的本质的研究，最后的结果远远超出人的想象！

扑克投资家

2017-10-15

我们在生活中，可以观察到两种物理学特性——粒子性和波动性，不同的事物会观察到不同的特性。粒子性指的是事物具有质量、动量等特征量，就像一只猫、一张桌子，它们只会出现在一个确切的位置。波动性指的是事物具有波峰、波谷、周期等特征量，比如声波、水波，它们可以延伸到整个空间。

那么光呢？光是粒子还是波？这个问题困扰了人们数百年，引起了无数争论。

惠更斯的波动说和牛顿的微粒说

最早的比较全面的关于光的理论是由荷兰物理学家惠更斯提出的。惠更斯提出了“以太”的概念，认为光是以以太为介质进行传播的一种波。后来，牛顿提出了他的光微粒说，认为光是由非常微妙的微粒组成。

惠更斯的波动说和牛顿的微粒说都能解释一些现象，但是各自都有缺陷。由于牛顿在物理学中的影响力，他的微粒说占据了主导地位。

惠更斯

托马斯·杨的实验和麦克斯韦的研究

19世纪，英国的“全才”托马斯·杨进行了著名的光的双缝实验。在这个实验中，光源发出的光会经过挡板的两条缝隙，再投射到接收板上。如果光是一种粒子的话，接收板上应该会出现两个明亮的区域。但是实验结果却是在接收板上出现了明暗相间的条纹。这样的实验结果只能用波的理论来解释。

光的双缝实验

同世纪，詹姆斯·麦克斯韦整合电磁学的理论，提出麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组预言电磁波的存在，根据麦克斯韦方程组计算出的电磁波的传播速度与实验测量的光速相等，于是麦克斯韦认为光是一种电磁波，电磁学和光学由此联合形成统一理论。

至此，人们以为关于光的本质的研究基本尘埃落定：光是一种波，并且其本质是由电磁现象产生的电磁波。但事情并没有这么简单。

波动说解释光的双缝实验

普朗克关于黑体辐射的研究

19世纪末，物理学家们在研究黑体辐射时遇到了困难。黑体就是不反射任何光线的物体，在黑体达到一定温度时，会向外辐射出光，这个现象称为黑体辐射。物理学家发现黑体辐射的光波频谱无法用经典的理论加以解释。德国物理学家普朗克首次提出“量子”的概念，假设黑体辐射的能量并不连续，而是一份份地传播，有一个最小的能量单位——能量子。这样的假设可以很好的解决黑体辐射的频谱问题。“量子”的提出，是量子力学的开端。普朗克也因为他发现能量量子而获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦与光电效应

光电效应是指，光照射到金属表面会使金属激发出电子。但是并不是所有的光都能使金属激发出电子。物理学家们发现能否激发电子，与光的频率有关，而与光的强度无关，这与经典的“光波动说”相矛盾。爱因斯坦为了解决这一问题，把普朗克的量子假说应用于光电效应。他认为光不是连续的，而是一份份地传播，有一个最小的传播单位，光量子的能量与频率成正比。这样的假设可以很好地解释光电效应。爱因斯坦推广了普朗克的“量子”思想，同样为量子力学的发展奠定了基础。爱因斯坦也因这项成就获得了诺贝尔物理学奖。至此，人们已经认识到光有时候会展现波动性，有时候会展现粒子性——即光的波粒二象性。

德布罗意物质波

法国物理学家德布罗意在他的博士论文中提出了物质波，认为不只是光，所有的物质都同时具有粒子性和波动性。三年后，乔治·汤姆孙以电子为对象，完成了电子的双缝干涉实验，证实了电子也具有波的性质。从此，物理学家们普遍认为所有的物质都具有波粒二象性。德布罗意也因为他的这个天才的想法和对量子力学的贡献，而获得了诺贝尔物理学奖。

物质波

单个粒子的双缝干涉实验

但是你可能对以上解释不能满意，因为上述实验都可以解释为：光和物质本质都是粒子，只是一大堆物质在通过缝隙的时候“相互碰撞”，而使整体呈现波的特性，就像一堆水分子相互影响形成水波。

对此，科学家设计了一个实验：把光源强度调整到很低，每次只有一个光子可以从光源发出，当光子打到感光片上，再发出下一个光子，这样就排除了“相互碰撞而使整体呈现波的特性”的可能。实验结果是，每一次感光片都只会出现一个亮点，而且位置是随机的，当进行很多次以后，亮点的分布会非常有规律，它们看起来就是明暗相间的条纹——杨氏双缝实验的结果。