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关于光的本性之谜，自古以来就激起了人类的好奇心。在古希腊，学者们将光视作由极小的粒子——“光原子”所构成，这种看法渗透着朴素的唯物主义辩证色彩。而在古代中国，关于光的论述则更显哲学韵味，当时的学者们倾向于认为光源自“气”，是光源释放出的一种特殊气态物。

对光的科学研究，在西方常被认为始于勒内·笛卡尔。他在《屈光学》一书中，首次尝试对光的折射定律进行理论性解释。此外，他解析了视力异常的成因，并构思了矫正视力的透镜设计。

笛卡尔进一步提出了光波动说的早期形式。紧接着，在1660年代，知名物理学家罗伯特·胡克阐述了他的波动理论。他设想光线在名为发光以太的媒介中以波动形态传播，并因为波不受重力作用，假定光在进入密度较高的媒介时会减缓速度。胡克的理论为惠更斯所完善。

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1678年，惠更斯在法国科学院的一场报告中公开否定了牛顿的光微粒说，并在1690年出版的《光论》中正式确立了光波动说。

他的理论基于一个原理，即每一个波前点都可以视作新的子波源，所有这些子波的包络面构成了下一时刻的波前。依据这一原理，他揭示了光的衍射、折射及反射定律，并解释了光在密度较大媒介中的速度减缓现象。

然而，牛顿坚信光是微粒性的。在他之前，法国数学家皮埃尔·伽森荻已提出物质由众多坚硬粒子组成，牛顿对此观点颇为赞同。基于光的直线传播特性和偏振现象，牛顿于1675年提出假说，认为光是由光源释放出的微粒，在均匀媒介中以确定速度传播，从而确立了微粒说。

由此，两派观点引发了一场延续300年的波粒之争。

在惠更斯和胡克相继去世之际，牛顿推出了其巨著《光学》，该书汇集了他在剑桥三十载的科研心血，从微粒角度阐释了反射、折射、透镜成像、眼睛运作机制、光谱等诸多方面。牛顿亦从波动说中汲取灵感，将其中振动、周期等概念融入微粒学说，使得这一理论更加完善。随后，他针对波动说无法解释的问题进行提出，并对惠更斯的《光论》进行反驳。

随着牛顿声望日增，其微粒学说在相当长一段时间内主导了对光的解释。

然而，托马斯·杨在研究牛顿环时，对条纹的明暗模式产生疑问。他推测：“若用波动解释，岂不是更直观？明条纹乃两道光波相加、增强所致；暗条纹则是因两道光波相抵消。”这一设想促使他进行了著名的杨氏双缝实验。

杨氏双缝实验是将光源置于一张单孔纸前，其后再置放两道平行狭缝的纸张，从而在墙壁上形成明暗相间的条纹。这一成果成为了支持波动说的有力证据，也被誉为光的干涉现象，该术语亦由杨首次引入。实验结果不仅证实了频率相同的光波能相互影响，也为惠更斯早年的波动说提供了有力支持。

杨的实验成果在学术界引起轰动，后续菲涅尔、傅科及核磁等实验结果均证实了光波动说的正确性。欧拉也在其《光和色彩的新理论》中，阐述了波动说在解释衍射现象上的优势。可以说，在牛顿之后的300年间，光的波粒之争持续不断，两派学说各自拥有众多支持者，轮番垄断了对光的解释。

至19世纪末至20世纪初，随着物理学向微观领域的深入，这场争论转变成了粒子层面的探讨——光究竟是波还是粒子？

在当时，海森堡提出电子具有量子化特性，能在不同轨道间跃迁，如同粒子一般。薛定谔则主张电子呈现波动状态，如同云雾（由此衍生出“电子云”概念），放大观察，仿佛在空间中扩散，形成无数振动的叠加态。

爱因斯坦因光电效应研究获诺贝尔奖，这一现象初步揭示了波粒二象性。

杨的双缝实验在新的层面上被重新审视，爱因斯坦得出了新的结论：当降低光的强度至每次只有一个光子进入实验装置时，就会开启一场奇妙之旅。1905年，爱因斯坦明确提出，单个光子具有粒子性。这一观念构成了他的光量子理论，成功解释了光电效应，并使他荣膺诺贝尔奖。

伴随着爱因斯坦提出革命性的光量子理论，人们这才意识到杨氏实验的正确性，似乎在表明光线既有波动的一面，也有粒子的一面。然而，真正阐述光的波粒二象性理念的，是那位天才的物理学家德布罗意。为揭示X射线现象背后的原理，1920年他投身于理论物理研究，尤其是量子领域的问题。1923年9月与10月，他在《法国科学院院导报》发表了三篇关于波动与量子的短小精悍的文章，在这些论文中，他初步显露了物质波的理论雏形。

最终，在1924年的博士论文《量子理论的研究》中，德布罗意系统阐述了相位波，亦即物质波的概念。这篇论文中包含了两个划时代的公式：E=hv和E=mc2。这两者都是爱因斯坦的杰出贡献，前者阐述了光子能量（这个公式的提出有普朗克的贡献），后者则表述了质量与能量之间的等效关系。

德布罗意整合了这两个公式，并提出自己的假设，即光量子的静止质量并非零，而像是电子这样的实物粒子则拥有周期性的频率特性。基于这些假设，他在论文中提出了一个革命性的观点：任何实物微粒都伴随有一种波动。这种波被德布罗意命名为相位波。

在这篇博士论文中，德布罗意正式提出了“波粒二象性”的概念，并指出这不仅仅适用于光子，所有的微观粒子，如电子、质子、中子等都有波粒二象性。他将光子的动量与波长的关系式p=h/λ扩展到所有微观粒子，提出运动中的粒子不仅具有质量m和速度v，还有其波动性。

这种波动性的波长则与粒子的动量mv和普朗克常数h的比值有关，即λ=h/（mv）。这就是后来被称为德布罗意公式的关系式。德布罗意的理论进一步揭示了微观粒子的波动特性，如电子的干涉和衍射现象。

德布罗意的理论在实验中得到了证实。1921年，著名的美国科学家戴维森和他的助手康斯曼在进行电子束轰击镍靶的实验时，偶然发现了一种现象——镍靶发射的“二次电子”中，有一部分能量与轰击的一次电子相同，这显然是发生了弹性碰撞的结果。他们注意到“二次电子”的角度分布有极大值，并不是平滑的曲线。起初，他们试图用原子核对电子的静电作用力来解释这一现象，但后续的实验并不成功。

后来，戴维森参加了一场会议，并在里查森等物理学家的启示下，意识到他们的实验可能是德布罗意物质波假说的证据。回到美国后，戴维森重新进行实验，并在1927年公布了结果，这也是德布罗意论文答辩时提出的“电子衍射实验”。实验证明，如果电子具有波动性，那么电子束通过障碍物时就会出现衍射现象。

几乎同时，J.J汤姆逊的儿子P.G.汤姆逊也通过高速电子穿过多晶金属箔的实验，得到了类似X射线衍射的花纹，证实了电子的波动性。这为德布罗意波提供了坚实的实验基础，两人也因此共享了1937年的诺贝尔奖。

德布罗意的理论在21世纪的研究也没有停歇。2015年，瑞士洛桑联邦理工学院的科学家成功捕捉到了光同时展示波粒二象性的照片。这张照片底部展现了光的粒子特性，而顶部则展示了光的波特性。

波粒二象性不仅是量子理论建立与发展的核心概念，也是微观粒子的固有属性。这场绵延数百年的科学论战，最终并未分出胜负，因为所有参与者捍卫的理论都是正确的，只不过揭示了自然的一部分真理。

发布于：辽宁省