光究竟是什么？波粒二象性真的难以理解
光究竟是什么？波粒二象性真的难以理解
文/袁玉刚 图/来自互联网
众所周知，光具有波粒二象性，也就是说，光既是粒子又是波。但在历史上，光的粒子说和波动说曾经长期争执不休。
1637年，笛卡尔在他的《方法论》的附录《折光学》中提出了两个假说：一是光是类似于微粒的一种物质；二是光是一种以以太为媒质的压力。这两个假说实际上就是粒子说和波动说。所以说，笛卡尔是光的波粒二象性理论的鼻祖。
1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第首先发现了光的衍射现象，推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第是光的波动学说最早的倡导者。之后，英国科学家波义耳、英国物理学家胡克积极响应。
1660年，法国数学家皮埃尔·伽森荻出版专著，认为光由大量坚硬粒子组成。
1666年，荷兰天文学家、物理学家和数学家惠更斯提出了波动学说比较完整的理论：光是一种机械波，是一种靠物质载体来传播的纵向波，物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。惠更斯由此证明了光的反射定律和折射定律，解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。
1672年，英国物理学家牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中用微粒说阐述了光的颜色理论，导致牛顿与胡克之间漫长而激烈的粒子说与波动说的争论。1675年，牛顿认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。
1704年，牛顿出版《光学》，质疑波动说，推广微粒说。
1882年，德国物理学家施维尔德根据光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。
1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。占据优势的波动说面临危机。
1801年，怀疑牛顿光学理论的英国物理学家托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验。白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，也证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，解释了自己的实验和“牛顿环”实验，提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。
图1 托马斯·杨双缝干涉实验。
1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象，发现了光的偏振现象的经验定律，批驳了惠更斯提出的光是一种纵波的理论，使波动说陷入了困境。
1817年，托马斯·杨放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。
1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，再次证明了光的波动说，并且与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。
1873年，麦克斯韦出版专著《电磁学通论》，创造性地推导出了全面发映电磁规律的麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在并阐明了它的本质；创立了电磁波的传输模型；提出了光的电磁理论。
1888年，德国物理学家赫兹发现光电效应，再一次证明了光的粒子性。并且用实验证实了电磁波的存在。
1905年3月，阿尔伯特·爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文，提出光子假设，认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。
1919年，英国科学家爱丁顿的两支考察队，利用日食的机会观测到太阳附近的光的偏折角约为1.7秒，证明了光的粒子说。
1921年，爱因斯坦因为“光的波粒二象性”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。
1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。
至此，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”即光粒子的运动轨迹是呈周期性的波而落下了帷幕。
1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为物质和光一样，都具有波粒二象性，这被后来的电子衍射试验所证实。
1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松用电子来进行双缝干涉实验。出人意料的是，在屏幕上出现的并不是两条亮纹，而是多条明暗相间的干涉条纹，证明电子也具有波粒二象性。
1974年，米兰大学的梅里教授用电子发射器重做电子双缝干涉实验，并且在双缝的入口安装了高精度的监视器，可以清晰地看清电子的出入和衍射。
图2 电子双缝干涉实验
但当一个探测器放在两道平行的狭缝之前以检测电子的行踪时，双缝干涉条纹消失了。
科学家们对此迷惑不解，提出了许多解释。玻尔解释说：“电子又是粒子又是波，但每次我们观察它，它只展现出其中一面，这里的关键是我们'如何’观察它，而不是它'究竟’是什么？”有人把探测器比喻为观察者，说观察者影响了粒子的行为。有人说是量子效应。
2015年，瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片，并且认为自然界所有的粒子如光子、电子或是原子都能用一个微分方程，如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数，它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性，它们能够像波一样互相干涉。
图3 首幅光的波粒二象性照片
“光具有波粒二象性”被大家接受，但光究竟是什么？光子的运动轨迹为什么是波？光可以在真空中传播，传播介质是什么？光是一种横波，为什么会直线传播？光子为什么会分成两半并各自穿过一条缝隙呢？
我离经叛道，做出了一个光的物理模型：光既然是粒子，就一定会旋转；光既然是波，就一定会前进。旋转着前进的物体轨迹应该是一种螺旋：从侧面来看是波，有波长、振幅、频率，一个波长可以看成一个光量子；从前面来看是一个圆，有圆心、半径、角速度。这就充分满足了波粒二象性的条件。
图4 螺旋
既然光子在做螺旋运动，就一定有一种力在推动。这个力可以是磁力，一种微观上的旋涡力；也可以是暗能量，一种宏观上的旋涡力。旋涡斥力线在短距离上可以认定为直线，所以，光这种横波会以光速直线传播。
光可以在真空中传播，不需要传播介质，也不需要以太。但光遇到介质会产生反射、折射，降低频率，所以，光的强度会衰减。光的质量很小，可以忽略不计，但遇到更强的外力，会偏离原来的行进路线。
其它粒子是这样，宏观物体也是这样。从两极观察地球，地球是个粒子，有圆心、半径、自转角速度、公转速度；从赤道观察地球，地球螺旋前进，有波长、振幅、频率。只是波动性的特征没有粒子性的特征强而已。只是因为我们认为地球是粒子而不认为是波。
至于光子通过双缝产生自干涉，则主要是因为光子是一个旋涡，并不是实体粒子，无所谓分裂不分裂；光的传播是球状的。光可以分成两部分同时通过双缝，再正常不过了。
电子通过单缝，不管磁极朝哪，都产生一条条纹。电子通过双缝，如果磁极朝向前后，会产生两条条纹；否则，就会产生干涉条纹。
在双缝前或后增加一个检测电子的观测器，产生“量子退相干”现象，即干涉条纹消失。这是因为观测器本身发出的力干扰了电子的行进状态，本来磁极没有朝向前后，结果被观测器扭转成朝向前后了。所以，不是观察者的意识决定着电子的行为，而是观察者的行为决定着电子的姿态。“量子退相干”现象是人为干涉造成的，不需要用“量子纠缠”、“互补原理”、“测不准原理”、“主观的介入”来解释，更不是电子与我们躲猫猫。
总之，光是旋转着螺旋前进的粒子，有圆心、半径、自转角速度、公转速度以及波长、振幅、频率。这就是波粒二象性。“量子退相干”现象是人为干涉造成的，不需要故弄玄虚，搬神弄鬼。