让人纠结的光,是粒子还是波呢?

作者: 王木头

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-07-20

本文探讨了光是粒子还是波的问题,从古代的原子论到现代的科学争论,详细描述了不同理论的支持和反对观点,以及光在反射、折射、衍射等现象中的表现,展示了科学界对于光本质的长期探索和争议。

光到底是什么,不知道大家有没有好奇过这样的问题。不管有没有什么头绪,反正在两千多年的古人们就考虑过这个问题了。当时的人就想,如果是石头啊,木头啊这些东西还好办,可以摸得着。大不了把大块砸成小块,小块砸成粉末,小的不能再小了,眼睛都看不到了,那就是这些东西的最基本单元了。古代原子论就是这么发展出来的,他们认为世界万物都是由看都看不见的小颗粒——原子构成的。

可是到了光可就难办了,光虽然看得见但是摸不着啊。又不能像是石头那样能砸碎,还总是一道一道,实在说不清它是由什么东西组成的。不过,既然石头什么的都是由更小的颗粒组成,那么光也应该不例外吧。

话是这么说,但总要有证据吧。古代的人们会说,证据有啊。你看光照到镜子啊,水面啊是会被反射回来的。直直地照进去,就直直地反射回来,如果是斜斜地照进去,就还是以同样斜斜地角度从对面的方向反射出来。这不就和撒豆子,豆子弹到地面反弹起来一模一样吗?所以,一定是光里面有非常非常小的微粒,碰到了镜子然后就反弹了回来了。

你是不是已经快被说服了?说的没错啊,的确都是这样的,难道光真的是有小颗粒组成的?同样还是两千多年前的人,就有人站出来说不对,光不应该是粒子的。你看,一束光和另外一束光相互汇聚在一起,然后他们就会像什么也没有发生过一样马上就分开了。如果真的是有一些小颗粒组成的话,它们在汇聚的时候总是发生碰撞的吧,碰撞之后运动的方向也就会发生改变。

大家可以想想看,如果不是光,而是两道水柱,水可是都由微小的粒子组成的。它们碰撞之后会发生什么,是不是会有很多水喷溅出来,即使没有溅出来的水也会两道汇成一道,走了一条中间的路。再来看看光,不论怎么样,两道光要是碰在一起就会和什么也没有发生一样继续走着各自的路。

既然不是由原子、分子或是其他粒子组成的,那光还能是有什么组成的呢?这个世界上存在这种东西吗?那些反对的古人们可不只是反对就了事了,而是有备选方案的。那就是,光应该是一种波。

你看池塘里的水波,你分别朝着两个地方扔下两个石子,两个石子溅起的水波会慢慢泛开,一圈一圈地扩大。最后两个水波碰在了一起,但是一个水波并不会受到另一个水波的阻拦或是其他影响。

虽然会暂时地叠加在一起,但是仍然是会继续各自朝着各自的方向运行着。还有声波,我们可以很容易在嘈杂的人群中分辨出妈妈喊你的声音。这是因为每个人说话其实都是在发出声波,声波相遇什么也不会发生(其实会发生干涉),只会向水波一样遇在一起然后分开。所以妈妈说话的声音才不会被其他人的声波所干扰,能被你分辨出来。

当你听完这些人的观点后,是不是感觉自己又被说服了。的确啊,光的确是和水波和声波一样,互相之间不会发生碰撞,虽然在同一个位置的时候会发生叠加,但是很快就会各自按照各自原来的方式运行开来了。是不是又一次觉得很有道理,难道光真的是一种波吗?

那些认为光是粒子的人可不会束手就擒,他们就想到如何反驳。如果光真的是波的话,那么光应该可以像其他波一样具有一种特效,但是光却没有这个特效。那就是衍射。

衍射,这个词听起来挺陌生的吧,但是这个现象是我们平时是经常遇到的。假如你和你的朋友站在一堵围墙两边,这个墙还挺高的挡着你们互相看不见。照理说说话发出的声波是会背墙阻挡的,但是你们互相说话还是可以听得到。声波是如何绕过墙传到对方耳朵里的呢?这就是波的衍射了。

衍射就是当波遇到障碍物时,波会发生一种改变传播路径的现象。下面的图就是几种波越过障碍物的情况。缝隙的大小以及波纹之间的间隔都对波的衍射是有影响的。在最后,我也会放一个视频,大家可以看看水波是如何发生衍射的。

现在问题就又来了,声波和水波都是可以绕过障碍物的,它们百分百是波,可是光好像不行。光好像永远只能是直直地传播,在中间当上一个障碍物马上就会被遮住,完全没有绕过去的意思。这样看来是不是光就不应该是波了呢?

这样的反驳是不是你又一次觉得很有道理呢?难道光真的不是波而是粒子吗?这个时候认为光是波的那一派人就又站出来了。他们说,即使光不是波,也不应该是粒子。

你看光线是会折射的,从空气进到水里光的路线是会发生改变。如果光是粒子的话这个现象就没有办法解释了。如果真的是粒子的话,进到了密度高的介质里面,只能降低速度,怎么还会连方向也改变了呢?再说了,粒子都是应该能收到地球吸引的,怎么没有见到光线弯曲被吸到地球上来,而是直直的就飞走了呢。

听到这里我想你已经是晕晕的了,本来想要一个简洁明了的答案,结果却看到了不论是粒子说还是光波说都是有一些道理,但是有没有办法解释所有的现象。不只是你,古代的人们也是这样晕晕乎乎地,争论了一两千年。直到300多年前出现了一位科学英雄,他用自己的权威性征服了几乎所有的科学家,也让“光是什么”这个问题貌似得到了最终的解答。这个人是谁呢?他的解答又是什么呢?我们下次再来讲有关他的故事。

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