世界究竟是什么？這是一個(gè)哲學(xué)命題也是一個(gè)科學(xué)命題，在科學(xué)還沒有進(jìn)入微觀世界之前，光這種迷人而又耀眼的存在一直吸引著科學(xué)家們的目光，光究竟是什么呢？這個(gè)問題在科學(xué)界的腦海里產(chǎn)生之后，由此誕生了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)300年的波粒之戰(zhàn)。

第一次波粒大戰(zhàn)

第一次波粒之戰(zhàn)，牛頓還是一個(gè)繞不開的話題（當(dāng)然，第二次也繞不開），你會(huì)發(fā)現(xiàn)翻閱整個(gè)物理學(xué)發(fā)展史，牛頓、愛因斯坦、玻爾、麥克斯韋這幾個(gè)人都是很難繞得開的存在。

在 1660 年，牛頓的一生死敵胡克發(fā)表了他的光波動(dòng)理論。他認(rèn)為光線在一個(gè)名為發(fā)光以太的介質(zhì)中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影響，他假設(shè)光會(huì)在進(jìn)入高密度介質(zhì)時(shí)減速。胡克的光波動(dòng)理論是光的波動(dòng)說的雛形。

而與胡克死掐的牛頓則提出了相反的意見，他在法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻提出的物體是由大量堅(jiān)硬粒子組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)光的直線傳播規(guī)律、光的偏振現(xiàn)象，最終于 1675 年提出假設(shè)，認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播。微粒說由此產(chǎn)生。

牛頓的分光實(shí)驗(yàn)

牛頓與胡克之爭(zhēng)還沒有進(jìn)入白熱化，這個(gè)時(shí)候，法國(guó)科學(xué)院的掌門人惠更斯插進(jìn)來了，相比起胡克，惠更斯成名已久，德高望重，是科學(xué)界的前輩。而且身為法國(guó)科學(xué)院的掌門人，弟子眾多。

在 1678 年，惠更斯在法國(guó)科學(xué)院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，并在 1690 年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動(dòng)說，建立了著名的惠更斯原理，促進(jìn)了光學(xué)研究的發(fā)展，由此掀起了第一次波粒大戰(zhàn)。

兩個(gè)人都有各自的支持者?；莞巩?dāng)時(shí)在數(shù)學(xué)、天文學(xué)、光學(xué)諸方面已多有建樹,被荷蘭人視為與大文豪斯賓諾莎齊名的國(guó)寶。牛頓更是不同凡響, 被英國(guó)尊奉為超級(jí)巨星、科壇泰斗。

兩個(gè)人都想證明自己在光學(xué)上的扛把子地位，所以牛頓和惠更斯都力證自己的才是正確理論。

他們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域里已經(jīng)有所建樹, 而且他們的觀點(diǎn)都能解釋許多生活中人們常見的現(xiàn)象, 崇拜權(quán)威的心理使人們紛紛站隊(duì)，所以導(dǎo)致了偏激的爭(zhēng)執(zhí)。后來這些支持者火上澆油，波粒之戰(zhàn)達(dá)到了高潮，甚至在惠更斯去世之后也沒有停止。

在惠更斯去世之后，牛頓出版巨著《光學(xué)》，這本著作匯聚了牛頓在劍橋三十年研究的心血，從粒子的角度，闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的內(nèi)容，他更從波動(dòng)說中汲取養(yǎng)分，將波動(dòng)說中的震動(dòng)、周期等理論引入粒子論，全面完善補(bǔ)足了粒子學(xué)說。緊接著他將波動(dòng)說無法解釋的問題一一提出，并對(duì)惠更斯當(dāng)年的《光論》加以駁斥。死人是沒有辦法反駁的，牛頓最終以一己之力，扭轉(zhuǎn)了光學(xué)兩大理論交鋒局勢(shì)，贏得了第一次波粒之戰(zhàn)的勝利，此后的一個(gè)世紀(jì)，微粒說一直牢牢占據(jù)著光學(xué)研究的主流。

第一次論戰(zhàn)，牛頓微粒說勝

第二次波粒大戰(zhàn)

1807 年，在波粒之戰(zhàn)過去 103 年之后，著名的科學(xué)家托馬斯·楊在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，由此拉開了第二次波粒大戰(zhàn)的序幕。

托馬斯·楊堪稱是科學(xué)家里的奇才，他的跨界領(lǐng)域簡(jiǎn)直讓人匪夷所思，除了在力學(xué)、材料力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、船舶工程、潮汐理論、毛細(xì)作用以及生理學(xué)方面具有驕人成就之外，他還涉獵語言學(xué)、動(dòng)物學(xué)、考古學(xué)、文字學(xué)。并且，他會(huì)演奏當(dāng)時(shí)的所有樂器，對(duì)畫畫也十分精通，還會(huì)制造天文器材，還研究經(jīng)濟(jì)問題，同時(shí)還是一個(gè)醫(yī)生。托馬斯·楊更擅長(zhǎng)騎馬，并且會(huì)耍雜技走鋼絲。

他這個(gè)人聰明到了程度呢？在 13 歲時(shí)他已經(jīng)能夠閱讀拉丁文、希臘語、法語和意大利語，20 歲時(shí)掌握了希伯來語、阿拉伯語、波斯語等東方語言，不知道為啥沒有研究漢語。他也被譽(yù)為“這個(gè)世界上最后一個(gè)什么都知道的人”。

托馬斯.楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時(shí)候，他突然產(chǎn)生了疑問“為什么會(huì)形成一明一暗的條紋呢？”他想：“用波來解釋不是很簡(jiǎn)單嗎？明亮的地方，那是因?yàn)閮傻拦庹檬恰巴颉钡?，它們的波峰和波谷正好相互增?qiáng)，結(jié)果造成了兩倍光亮的效果；而暗的那些條紋，則一定是兩道光正好處于“反向”，它們的波峰波谷相對(duì)，正好相互抵消了?！?/p>

后來他又發(fā)現(xiàn)水波會(huì)以同樣的方式衍射過堤岸上的兩個(gè)狹窄隘口，然后發(fā)生干涉，在有些地方水波相互增強(qiáng)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，有些地方水波相互抵消，發(fā)生相消干涉。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，他立即進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，這便是著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)物理課本上也有。

就是把一個(gè)手電筒放在一張開了一個(gè)小孔的紙前邊，然后在紙后邊再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到墻壁上，就會(huì)形成一系列明、暗交替的條紋。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)成了支持光的波動(dòng)理論的絕佳例子，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)也被稱為光的干涉現(xiàn)象，干涉這個(gè)名詞也是楊首次提出的。他證實(shí)了光纖通過平行且距離很小的兩個(gè)小孔，通過兩小孔頻率相同的光會(huì)發(fā)生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給學(xué)界帶來了很大的沖擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動(dòng)理論，然而，當(dāng)時(shí)牛頓已經(jīng)成為了權(quán)威，容不得質(zhì)疑，科學(xué)界對(duì)于微粒說深信不疑。托馬斯.楊遇到了和麥克斯韋一樣的事情。他們對(duì)于楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以否認(rèn)，并稱之“荒謬絕倫”。

托馬斯.楊遭受到了無與倫比的壓力，他在雙縫實(shí)驗(yàn)得出來的結(jié)論被無情封殺，據(jù)傳只印刷了一本，還是自己自費(fèi)印刷的，后來托馬斯.楊宣布退出光學(xué)研究，轉(zhuǎn)而研究考古學(xué)，當(dāng)然在考古學(xué)他也作出了巨大的成就。

托馬斯.楊的著作點(diǎn)燃了量子革命的導(dǎo)火索（這是后話），光的波動(dòng)說在經(jīng)過了百年的沉寂之后，終于又回到了歷史舞臺(tái)上來。然而，第二次波粒大戰(zhàn)也才剛剛掀起一個(gè)高潮，第二次波粒大戰(zhàn)可以說是一群科學(xué)家對(duì)當(dāng)時(shí)主流學(xué)界的抗戰(zhàn)！

在楊之后，菲涅爾也向主流學(xué)界發(fā)起了挑戰(zhàn)，奧古斯丁·菲涅耳提出了著名的惠更斯-菲涅耳原理 。

在惠更斯原理的基礎(chǔ)上假定次波與次波之間會(huì)彼此發(fā)生干涉，又假定次波的波幅與方向有關(guān)?；莞梗颇砟軌蚪忉尮獠ǖ某胺絺鞑ヅc衍射現(xiàn)象。但是菲涅爾的這次論戰(zhàn)并沒有取得完全的勝利，不過的確動(dòng)搖了一部分人，因?yàn)樗軌蛘f明偏振現(xiàn)象的機(jī)制，這是光微粒說所不能夠的?？梢哉f菲涅爾原理提出之后牛頓的微粒說的權(quán)威地位開始松動(dòng)，菲涅爾的理論成為了第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)的決定性事件。

而接下來傅科和核磁的實(shí)驗(yàn)則直接推翻了牛頓的微粒說權(quán)威地位，獲得了第二次波粒大戰(zhàn)的終極勝利。

1819 年 5 月 6 日，傅科向法國(guó)科學(xué)院提交了他關(guān)于光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的報(bào)告：他發(fā)現(xiàn)水中的光速要小于真空中的光速，后者只有前者的 3/4.。因?yàn)楦鶕?jù)微粒理論，這個(gè)速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動(dòng)論，這個(gè)速度應(yīng)該比真空中要慢才對(duì)。

傅科測(cè)光速示意圖

這個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以說基本宣布了微粒說的死刑，而赫茲的實(shí)驗(yàn)則直接給了致命一刀。

1887 年，赫茲實(shí)驗(yàn)誕生，H . R . 赫茲用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生了電磁波。光與電磁現(xiàn)象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動(dòng)理論與電磁理論融成了一體，產(chǎn)生了光的電磁理論。

赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)

在經(jīng)過 80 多年的論戰(zhàn)之后，光的波動(dòng)說重新成為主流，而赫茲的實(shí)驗(yàn)也拯救了麥克斯韋，當(dāng)時(shí)牛頓的超距作用處于權(quán)威地位，麥克斯韋的電磁波理論被打壓否定，而核磁的實(shí)驗(yàn)也證明了電磁波的存在，從而推翻了牛頓的超距作用。

第三次波粒大戰(zhàn)

而第三次波粒大戰(zhàn)就要涉及到玻爾與愛因斯坦了，當(dāng)然，這次論戰(zhàn)，并不是他們兩個(gè)人開打的，而是他們手下的大將海森堡與薛定諤。

這次論戰(zhàn)還是還是起源于楊的雙縫實(shí)驗(yàn)，不過愛因斯坦得出了不一樣的結(jié)果，當(dāng)你降低光的強(qiáng)度，直到每次只有一個(gè)光子進(jìn)入整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，奇異之旅就開始了。1905 年，愛因斯坦已經(jīng)明確提出，單個(gè)光子是一個(gè)粒子。由此愛因斯坦提出的光量子理論，解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

在愛因斯坦提出光量子理論之后，大家發(fā)現(xiàn)楊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也并沒有錯(cuò)，這個(gè)時(shí)候人們開始意識(shí)到光波可能同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。

那時(shí)，哥本哈根學(xué)派的掌門人波爾( Bohr ) , 克萊默（ Kramers )還有斯雷特( Slater )發(fā)表了一個(gè) BKS 理論提出 '波子' 及 '機(jī)率波' 模型，嘗試說明光的二重性，并用統(tǒng)計(jì)方法重新解釋能量及質(zhì)量守恒。

玻爾

可惜這個(gè) BKS 理論大錯(cuò)特錯(cuò)，不過玻爾提出的原子模型也站在了粒子這邊。玻爾與愛因斯坦這對(duì)掀起 20 世紀(jì)最大規(guī)模論戰(zhàn)的老對(duì)手居然罕見的意見相同。

而這個(gè)時(shí)候第三次波粒大戰(zhàn)的主人公海森堡出場(chǎng)了，在當(dāng)時(shí)物理學(xué)的研究對(duì)象應(yīng)該只是能夠被觀察到被實(shí)踐到的事物，物理學(xué)只能從這些東西出發(fā)，而不是建立在觀察不到或者純粹是推論的事物上。也就是物理學(xué)的研究領(lǐng)域還只處于宏觀領(lǐng)域，而不涉及微光領(lǐng)域。

而海森堡卻并不甘心將自己的研究停滯在宏觀領(lǐng)域，從而提出了矩陣力學(xué)，認(rèn)為電子是量子化的，像粒子一樣在不同軌道上躍遷。

薛定諤從經(jīng)典力學(xué)的哈密頓-雅可比方程（使用分析力學(xué)中求解動(dòng)力學(xué)問題的一個(gè)方程）出發(fā)，利用變分法（一種求解邊界值問題的方法）和德布羅意方程，最后求出了一個(gè)非相對(duì)論的方程，用希臘字母ψ來=帶表波的函數(shù)，最終形式是：

這就是名震 20 世紀(jì)物理史的薛定諤波動(dòng)方程。認(rèn)為電子是一種波，就像云彩一般（電子云說法的由來），放大來看后，就好像在空間里融化開來，變成無數(shù)振動(dòng)的疊加，平常表現(xiàn)出量子的狀態(tài)，是因?yàn)樗榭s的太過厲害，看起來就像一個(gè)小球。函數(shù)ψ就是電子電荷在空間中的實(shí)際分布。

薛定諤方程

兩個(gè)人將波粒之爭(zhēng)深入到了微觀領(lǐng)域，可以說進(jìn)入了白熱化的程度。海森堡撰寫的矩陣力學(xué)論文，由于計(jì)算方式太奇怪，被人紛紛的改寫成“共軛”的波動(dòng)方程形式。

郁悶的海森堡后來提出了著名的不確定原理來論證他的觀點(diǎn)，什么意思呢？給定全部條件？這個(gè)前提本身都是不可能的，給定了其中一部分條件，另一部分條件就變得非常的模糊。可以說來了一波實(shí)力反擊。

玻爾也出來和稀泥了，他說：“電子的真身，或者電子的原型？本來面目？都是毫無意義的單詞，對(duì)我們來說，唯一知道的只是我們每次看到的電子是什么。我們看到電子呈現(xiàn)出粒子性，又看到電子呈波動(dòng)性，那么當(dāng)然我們就假設(shè)它是粒子和波的混合體。我們無需去關(guān)心它“本來”是什么，也無需擔(dān)心大自然“本來”是什么，我只關(guān)心我們能“觀測(cè)”到大自然是什么。電子又是粒子又是波，但每次我們觀察它，它只展現(xiàn)出其中一面，這里的關(guān)鍵是我們“如何”觀察它，而不是它“究竟”是什么?！?/p>

其實(shí)這么長(zhǎng)一段話的意思就是：它既是一個(gè)粒子，同時(shí)也是一個(gè)波！你觀察的角度不同，那么你看到的東西也就不同。

我們?cè)谇懊嬲f到，愛因斯坦提出的光量子理論，這個(gè)時(shí)候人們就開始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。而加上玻爾的這番話，于是德布羅意出來平息這場(chǎng)爭(zhēng)斗，在 1924 年提出了“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說，電子也會(huì)具有干涉 和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象。

后來到 1926 年 4 月份，因?yàn)檫@種對(duì)峙至少在表面上有了緩和，薛定諤（居然還自己跑出來證明）、泡利、約爾當(dāng)都各自證明了，這兩種力學(xué)在數(shù)學(xué)上來說完全等價(jià)。

不過這個(gè)假說并沒能平息這場(chǎng)爭(zhēng)斗，直到 1927 年，C . J . 戴維孫和 L . H . 革末在觀察鎳單晶表面對(duì)能量為 100 電子伏的電子束進(jìn)行散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)了散射束強(qiáng)度隨空間分布的不連續(xù)性，即晶體對(duì)電子的衍射現(xiàn)象。幾乎與此同時(shí)，G . P. 湯姆孫和A.里德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時(shí)，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了 L. V . 德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，從而證實(shí)了 一切物質(zhì)都具有波粒二象性。

自此海森堡與薛定諤掀起的第三次波粒大戰(zhàn)就此結(jié)束，這一次，微粒說與波動(dòng)說終于實(shí)現(xiàn)了融合。

電子衍射與衍射襯度像

可以說第三次波粒大戰(zhàn)由宏觀領(lǐng)域轉(zhuǎn)戰(zhàn)到了微觀領(lǐng)域，在之前，大家還只是針對(duì)光進(jìn)行討論，而在第三次波粒大戰(zhàn)中，已經(jīng)深入到了光源中的電子一樣，正如量子力學(xué)將物理帶入了微觀領(lǐng)域一樣，在 20 世紀(jì)初的這場(chǎng)波粒大戰(zhàn)同樣在微觀領(lǐng)域展開。

2015 年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家成功拍攝出光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。

照片中，底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。

自此，這場(chǎng)持續(xù)了 300 年的波粒大戰(zhàn)才正式落下帷幕，許多的科學(xué)家住這場(chǎng)論爭(zhēng)中涌現(xiàn)，嶄露頭角，這次論爭(zhēng)的雙方可以說都沒有錯(cuò)，但也沒有全對(duì)。波粒大戰(zhàn)可以說推動(dòng)了物理學(xué)的大發(fā)展（相對(duì)論和量子力學(xué)以及光電效應(yīng)的誕生都和此有關(guān)）！