“上帝”說：要有光明！所以有了光，地球就有了光，世界就充滿了無限的歡樂。但是全能的上帝留給我們一個非常困惑的問題：光是什么？幾千年來，無數(shù)的學(xué)者和哲學(xué)家一直在思考這個問題。這個問題的答案幾乎包括了人類歷史上最聰明的智慧。古希臘人喜歡討論問題，對光很好奇。畢達哥拉斯首先解釋說，光是一種光源周圍發(fā)射的東西，當遇到障礙物時會被反彈。
接著托勒密在《光學(xué)》一書中描述了光的折射，達芬奇也描述了光的反射并試圖解釋它。然后開普勒和斯內(nèi)爾給出了光的折射定律的數(shù)據(jù)，但是他們沒有發(fā)表他們的研究成果 。
直到數(shù)學(xué)家笛卡爾提出光在折射中折射規(guī)律的數(shù)學(xué)幾何表達式，他對光同時留下了兩種可能的解釋：一種是光是一種類似于粒子的物質(zhì)；另一種是光是一種以“以太”為介質(zhì)的壓力，它可以是波。光究竟是什么？不計其數(shù)的人繼續(xù)對此進行討論甚至爭論。
意大利數(shù)學(xué)家格里馬蒂說，光是波。他讓一束光線穿過兩個小孔，投射到暗室的屏幕上，發(fā)現(xiàn)屏幕上有光影條紋。這與水波的衍射非常相似，它顯示了光的波動。
光應(yīng)該是波，英國物理學(xué)家胡克如是說。因為他用肥皂泡和薄云母重復(fù)了格里馬蒂的實驗，他認為“光是以太的一種縱向波”，而且光的顏色和其頻率有關(guān)。
“光怎么可能是波？它就是一個粒子”，英國物理學(xué)家牛頓說。1666年，牛頓發(fā)現(xiàn)用棱鏡可以把白光分成不同的顏色，不同的單色光也可以合成白光，因此他成功地解釋了光的色散。牛頓的分光實驗使得光學(xué)從幾何光學(xué)向物理光學(xué)邁進。牛頓認為光應(yīng)該由粒子組成，并且走最快的直線。光的分解和合成是不同顏色粒子分離和混合的結(jié)果。
所以圍繞這個問題有兩個學(xué)派——“波動派”和“粒子派”。事實上，牛頓起初并不特別反對波動派，但“粒子派”挑戰(zhàn)了胡克等先前的“波動派”，一系列爭論最終導(dǎo)致了牛頓和胡克終生的個人仇恨。胡克說，牛頓的一些研究是基于他的研究基礎(chǔ)，牛頓冷笑道：“那么說我就是站在巨人的肩膀上了！”
1678年，荷蘭科學(xué)家惠更斯出版了《光的理論》，并發(fā)表了反對粒子理論的公開演講。牛頓非常生氣——作為當時世界上最聰明的人，他很快就找到了“波動派”的“弱點”用粒子理論解釋了光的現(xiàn)象。
這些理論都寫在他的《光學(xué)》一書中。這本書出版時，胡克和惠更斯已經(jīng)不在人世，“波動派”也衰落了。牛頓利用他在力學(xué)上的卓越聲譽，輕易地發(fā)展和統(tǒng)一了“微粒學(xué)派”。雖然不是千秋萬載，但它統(tǒng)治了整個18世紀，這就是權(quán)威的力量。
歷史的車輪總是向前滾動。在新自然哲學(xué)思潮下，權(quán)威不一定受到質(zhì)疑。從1800年到1807年，托馬斯·楊再次高舉波動說理論的旗幟。作為新一代的領(lǐng)導(dǎo)者，楊運用物理學(xué)中最有力的研究方法：理論預(yù)測和實驗驗證，再進行理論解釋，逐步完善了波動理論。
楊首先把光和聲波進行對比，認為光在疊加后也有增大或減小的現(xiàn)象——光的干擾。他做了著名的楊氏雙縫干涉實驗，在理論上邁出了關(guān)鍵一步：光不是縱波，而是橫波（傳播方向與振動方向垂直）。十年后，法國土木工程師菲涅爾充分發(fā)揮業(yè)余興趣，從理論上對光的干涉進行了預(yù)測。在理解了托馬斯楊的工作之后，他進行了實驗驗證，并成功地建立了光的橫向傳播理論。之后，波動派終于再次崛起，繼續(xù)向前發(fā)展。
19世紀末，法拉第等人對電磁學(xué)的深入研究使人們初步形成了一個概念：光實際上是一種電磁波。1872年，麥克斯韋用四個方程完美地解釋了所有的電磁現(xiàn)象，并推導(dǎo)出電磁波是以光速存在和傳播的。
我們看到的可見光實際上只是一種電磁波。1888年，德國赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在！光不僅是波，而且是電磁波。除了光，無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等都是電磁波。它們之間的區(qū)別在于它們有不同的頻率。到目前為止，波動理論是完善的。
然而，最完美的理論也是有缺陷的。人們總是困惑于這樣一個問題：既然光是波，那么什么是傳播光的載體？
笛卡爾說是以太，那么以太是什么？為什么我們?nèi)祟惪床灰?？以太，源于希臘語，最初指的是神在天空中呼吸的空氣。無色、無味、無聲、無所不在于宇宙間的物質(zhì)?？鬃拥摹叭省?，墨子的“兼愛”、佛教的“慈悲”、基督教的“靈魂”，都是以太功用的結(jié)果。簡而言之，以太是過去和未來最神秘的物質(zhì)。尋找以太的過程也充滿了哲學(xué)和宗教的感覺。以太已成為19世紀物理學(xué)家談?wù)撟疃嗟脑掝}。根據(jù)已知的光的性質(zhì)，推測以太是傳播剪切波的固體介質(zhì)，是一個絕對靜態(tài)的參照系。
但是由此一來，固態(tài)的以太則可能影響天體的自由運動，而橫向的振動也很可能引起縱向的振動。在關(guān)鍵時刻，還需要實驗來說話。1887年，邁克爾遜和默里進行了“以太漂移”實驗。這是一個非常微妙的實驗：如果地球相對于絕對靜止的以太運動，那么如果光沿著這個方向運動，那就是光速和地球運動速度的疊加，并且沿著這個方向的傳播速度更小。
通過測量兩束光形成的干涉條紋數(shù)，可以準確地得到兩束光之間的光程差，進而得到兩束光之間的速度差。因此，只要在不同方向上測量干涉儀，就可以確定地球相對于以太的速度方向和大小。
結(jié)果出乎所有人意料之外——光速沿任何方向幾乎不變，換句話說，以太是不存在的！人們開始惶然不知所措。事實上，在實驗結(jié)果出來之前，瑞士某專利局的一名小職員就指出，如果放棄所謂絕對時間之類的概念，那么絕對靜止的參照系——以太的概念也可以扔掉。人們要接受光速不變原理，那么就可以得到物體在接近光速情況下高速運動的物理學(xué)，在那里運動的鐘會變慢，運動的尺子會縮短。這個新物理學(xué)叫相對論，那位叫愛因斯坦的小職員作為20世紀最為卓越的物理學(xué)家開創(chuàng)了現(xiàn)代物理新世界。
波動說的煩惱還不僅僅在于找不到“以太”這個載體，更可怕的烏云一朵接一朵地飄來。當時的實驗還有另一個現(xiàn)象：當用紫外線照射兩個金屬球時，電火花似乎更易出來，即光對金屬的照射可以產(chǎn)生電子。這就是光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦后來對其做出了解釋，他認為光以粒子形式入射到金屬上，金屬電子將吸收其能量并逃逸出來。光的微粒說再次浮出水面！愛因斯坦把光的微粒叫做“光子”。
光子的概念并不是他的原創(chuàng)，而來自于德國的普朗克對黑體輻射的解釋。
普朗克通過引入一個新的概念——把光的能量分成不連續(xù)的許多份，每一份叫做能量的“量子”，通過統(tǒng)計能量量子的分布，就可以得到完全符合實驗譜線的黑體輻射理論公式。把能量看成不連續(xù)的量子化，這在當時絕大部分科學(xué)家心目中是不能接受的。普朗克也因為引入能量量子而心中不安，他甚至內(nèi)疚地認為不應(yīng)該對經(jīng)典的電磁理論提出質(zhì)疑，因為它是那么地完美無瑕。只有年輕大膽的愛因斯坦，不僅勇于接受了能量量子的概念，而且成功用于解釋光電效應(yīng)。新的微粒說——光的量子說由此誕生。
如果光具有量子化的粒子性，那么其他電磁波會如何？1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)x射線被電子散射后頻率會變小，即x射線也有粒子性。更有趣的問題是，那原先人們認為是粒子的電子等會不會有波動性呢？1927年，杰默爾和湯姆森先后證實了電子束的波動性質(zhì)，隨后人們還發(fā)現(xiàn)氦原子射線、氫原子和氫分子射線均具有波的性質(zhì)。事實上，如果讓可見光、x射線、電子甚至中子穿過合適的物質(zhì)都可能發(fā)生衍射現(xiàn)象，即波強度存在增強和減弱的效應(yīng)，而“合適”的物質(zhì)，實際就是其間隙和射線的波長相比擬——這正是波發(fā)生衍射的條件。這下麻煩更大了，波可以是粒子，粒子也可以是波，那到底是粒子，還是波？既是粒子也是波？既不是粒子也不是波？徹底把大伙兒給搞糊涂了。
正是在粒子和波的混沌中，物理學(xué)迎來了歷史上最偉大的革命——量子力學(xué)的誕生。早在1913年，玻爾就用量子化能量的概念成功地解釋了原子行星模型。1924年，法國德布羅意提出了波粒二象性的概念，光不僅具有波粒二象性，而且?guī)缀跛械奈⒘；螂姶挪ǘ季哂胁６笮?。這樣，粒子就是波，波就是粒子，兩者都是同一對象的兩個屬性。
今天，關(guān)于光的粒子理論和波動理論的爭論已經(jīng)逐漸成為一個遙遠的傳說。只有在漫長的歷史長河中，才有無數(shù)的智者留下來，照亮未來。
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