光究竟是什么？波粒二象性真的難以理解
文/袁玉剛 圖/來自互聯(lián)網(wǎng)
眾所周知，光具有波粒二象性，也就是說，光既是粒子又是波。但在歷史上，光的粒子說和波動說曾經(jīng)長期爭執(zhí)不休。
1637年，笛卡爾在他的《方法論》的附錄《折光學(xué)》中提出了兩個假說：一是光是類似于微粒的一種物質(zhì)；二是光是一種以以太為媒質(zhì)的壓力。這兩個假說實際上就是粒子說和波動說。所以說，笛卡爾是光的波粒二象性理論的鼻祖。
1655年，意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里馬第首先發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，推想光可能是與水波類似的一種流體。格里馬第是光的波動學(xué)說最早的倡導(dǎo)者。之后，英國科學(xué)家波義耳、英國物理學(xué)家胡克積極響應(yīng)。
1660年，法國數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻出版專著，認(rèn)為光由大量堅硬粒子組成。
1666年，荷蘭天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯提出了波動學(xué)說比較完整的理論：光是一種機(jī)械波，是一種靠物質(zhì)載體來傳播的縱向波，物質(zhì)載體是“以太”；波面上的各點(diǎn)本身就是引起媒質(zhì)振動的波源?；莞褂纱俗C明了光的反射定律和折射定律，解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實驗。
1672年，英國物理學(xué)家牛頓在他的論文《關(guān)于光和色的新理論》中用微粒說闡述了光的顏色理論，導(dǎo)致牛頓與胡克之間漫長而激烈的粒子說與波動說的爭論。1675年，牛頓認(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。
1704年，牛頓出版《光學(xué)》，質(zhì)疑波動說，推廣微粒說。
1882年，德國物理學(xué)家施維爾德根據(jù)光波學(xué)說，對光通過光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋。
1887年，英國物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷以“以太漂流”實驗否定了以太的存在。占據(jù)優(yōu)勢的波動說面臨危機(jī)。
1801年，懷疑牛頓光學(xué)理論的英國物理學(xué)家托馬斯·楊進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。白屏上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，也證明了光是一種波。同年，楊氏在英國皇家學(xué)會的《哲學(xué)會刊》上發(fā)表論文，解釋了自己的實驗和“牛頓環(huán)”實驗，提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。
圖1 托馬斯·楊雙縫干涉實驗。
1809年，馬呂斯在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗定律，批駁了惠更斯提出的光是一種縱波的理論，使波動說陷入了困境。
1817年，托馬斯·楊放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象。
1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進(jìn)行的光的干涉實驗，再次證明了光的波動說，并且與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。
1873年，麥克斯韋出版專著《電磁學(xué)通論》，創(chuàng)造性地推導(dǎo)出了全面發(fā)映電磁規(guī)律的麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在并闡明了它的本質(zhì)；創(chuàng)立了電磁波的傳輸模型；提出了光的電磁理論。
1888年，德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，再一次證明了光的粒子性。并且用實驗證實了電磁波的存在。
1905年3月，阿爾伯特·愛因斯坦在德國《物理年報》上發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點(diǎn)》的論文，提出光子假設(shè)，認(rèn)為對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動；對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。
1919年，英國科學(xué)家愛丁頓的兩支考察隊，利用日食的機(jī)會觀測到太陽附近的光的偏折角約為1.7秒，證明了光的粒子說。
1921年，愛因斯坦因為“光的波粒二象性”這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
1921年，康普頓在試驗中證明了X射線的粒子性。1927年，杰默爾和后來的喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì)。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質(zhì)。
至此，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”即光粒子的運(yùn)動軌跡是呈周期性的波而落下了帷幕。
1924年，德布羅意提出“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為物質(zhì)和光一樣，都具有波粒二象性，這被后來的電子衍射試驗所證實。
1961年，蒂賓根大學(xué)的克勞斯·約恩松用電子來進(jìn)行雙縫干涉實驗。出人意料的是，在屏幕上出現(xiàn)的并不是兩條亮紋，而是多條明暗相間的干涉條紋，證明電子也具有波粒二象性。
1974年，米蘭大學(xué)的梅里教授用電子發(fā)射器重做電子雙縫干涉實驗，并且在雙縫的入口安裝了高精度的監(jiān)視器，可以清晰地看清電子的出入和衍射。
圖2 電子雙縫干涉實驗
但當(dāng)一個探測器放在兩道平行的狹縫之前以檢測電子的行蹤時，雙縫干涉條紋消失了。
科學(xué)家們對此迷惑不解，提出了許多解釋。玻爾解釋說：“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？”有人把探測器比喻為觀察者，說觀察者影響了粒子的行為。有人說是量子效應(yīng)。
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表現(xiàn)波粒二象性的照片，并且認(rèn)為自然界所有的粒子如光子、電子或是原子都能用一個微分方程，如薛定諤方程來描述。這個方程的解即為波函數(shù)，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)具有疊加性，它們能夠像波一樣互相干涉。
圖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？光子的運(yùn)動軌跡為什么是波？光可以在真空中傳播，傳播介質(zhì)是什么？光是一種橫波，為什么會直線傳播？光子為什么會分成兩半并各自穿過一條縫隙呢？
我離經(jīng)叛道，做出了一個光的物理模型：光既然是粒子，就一定會旋轉(zhuǎn)；光既然是波，就一定會前進(jìn)。旋轉(zhuǎn)著前進(jìn)的物體軌跡應(yīng)該是一種螺旋：從側(cè)面來看是波，有波長、振幅、頻率，一個波長可以看成一個光量子；從前面來看是一個圓，有圓心、半徑、角速度。這就充分滿足了波粒二象性的條件。
圖4 螺旋
既然光子在做螺旋運(yùn)動，就一定有一種力在推動。這個力可以是磁力，一種微觀上的旋渦力；也可以是暗能量，一種宏觀上的旋渦力。旋渦斥力線在短距離上可以認(rèn)定為直線，所以，光這種橫波會以光速直線傳播。
光可以在真空中傳播，不需要傳播介質(zhì)，也不需要以太。但光遇到介質(zhì)會產(chǎn)生反射、折射，降低頻率，所以，光的強(qiáng)度會衰減。光的質(zhì)量很小，可以忽略不計，但遇到更強(qiáng)的外力，會偏離原來的行進(jìn)路線。
其它粒子是這樣，宏觀物體也是這樣。從兩極觀察地球，地球是個粒子，有圓心、半徑、自轉(zhuǎn)角速度、公轉(zhuǎn)速度；從赤道觀察地球，地球螺旋前進(jìn)，有波長、振幅、頻率。只是波動性的特征沒有粒子性的特征強(qiáng)而已。只是因為我們認(rèn)為地球是粒子而不認(rèn)為是波。
至于光子通過雙縫產(chǎn)生自干涉，則主要是因為光子是一個旋渦，并不是實體粒子，無所謂分裂不分裂；光的傳播是球狀的。光可以分成兩部分同時通過雙縫，再正常不過了。
電子通過單縫，不管磁極朝哪，都產(chǎn)生一條條紋。電子通過雙縫，如果磁極朝向前后，會產(chǎn)生兩條條紋；否則，就會產(chǎn)生干涉條紋。
在雙縫前或后增加一個檢測電子的觀測器，產(chǎn)生“量子退相干”現(xiàn)象，即干涉條紋消失。這是因為觀測器本身發(fā)出的力干擾了電子的行進(jìn)狀態(tài)，本來磁極沒有朝向前后，結(jié)果被觀測器扭轉(zhuǎn)成朝向前后了。所以，不是觀察者的意識決定著電子的行為，而是觀察者的行為決定著電子的姿態(tài)?！傲孔油讼喔伞爆F(xiàn)象是人為干涉造成的，不需要用“量子糾纏”、“互補(bǔ)原理”、“測不準(zhǔn)原理”、“主觀的介入”來解釋，更不是電子與我們躲貓貓。
總之，光是旋轉(zhuǎn)著螺旋前進(jìn)的粒子，有圓心、半徑、自轉(zhuǎn)角速度、公轉(zhuǎn)速度以及波長、振幅、頻率。這就是波粒二象性。“量子退相干”現(xiàn)象是人為干涉造成的，不需要故弄玄虛，搬神弄鬼。
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