現代物理學就像一座宏偉的大廈。這座大廈有兩根支柱，其中一根是相對論，另一根是量子力學。相對論徹底改變了我們對宇宙的看法，而量子力學則徹底改變了我們的生活。有了量子力學才能指導我們研究半導體，才會有今天人人都在使用的手機和互聯網。有趣的是，打開相對論和量子力學大門的都是同一樣東西，那就是——光。

光到底是什么？

以牛頓為代表的科學家認為，光是一連串的微粒。所有的發光物體，不管是太陽還是蠟燭，都在不斷發射出無數的微粒。這些微粒如果射到了我們的眼睛中，就是我們感受到的光。

微粒學說可以解釋光為什么是沿著直線傳播的，也可以解釋光的反射現象。但是，人們很快就發現了一些無法用微粒學說來解釋的現象。

以惠更斯為代表的科學家提出了不同的觀點：光根本不是微粒的聚合，而是一種波。

什么是波呢？波是一種運動形式的傳播。如果你上下抖動繩子，會產生繩波，如果把一顆石頭扔進水中，水中泛起的漣漪就是水波。波有一種很神奇的效應，如果兩個波面對面相遇，它們會毫無阻礙地對穿而過。

牛頓對這種波動假說提出質疑：如果光是一種波，產生光波的振動介質是什么呢？顯然不是空氣，因為光無法讓空氣產生振動。

惠更斯這樣回答：太空是由一種被稱為“以太”的看不見摸不著的物質充滿著，所以光波產生的介質就是以太啊。

現在我們知道，以太其實并不存在，但在當時，以太是一個既無法證實，也無法證偽的假說。波動說可以用以太來作為論據，但微粒說也可以質疑它，微粒派和波動派在很長一段時間中都爭得不可開交，史稱“波粒戰爭”。

兩個理論爭論的一個焦點就是對光的折射現象的解釋。一束光線從空氣中射進水中，會發生偏折。如果把一根筷子插進水中，就會看到筷子好像被折斷了一樣，這就是折射現象引起的。這個現象該如何解釋呢？

牛頓認為，微粒在射進水中以后會被某種作用力側向拉拽一下，因而導致路徑發生了偏轉，因為受到了力，所以光的速度在水中比在空氣中更快。惠更斯則認為：這是因為光波進入水中，速度變慢了，所以才發生了偏轉。這個結論與牛頓的結論剛好是相反的。

那么水中的光速到底是變快了還是變慢了呢？這就成為了判斷誰對誰錯的試金石。

到了 1801 年，托馬斯·楊趴在小黑屋里把牛頓給拉下了馬，他做的實驗就是物理學史上非常著名的“雙縫干涉實驗”。

雙縫干涉實驗所展現出來的許多明暗相間的條紋，用微粒學說根本無法解釋，但是用波動學說可以很好的解釋。牛頓的說法顯然是錯了。

沒過多久，波動派又迎來了一個重大的利好消息，法國物理學家傅科宣布：根據他做的實驗，光在水中的傳播速度約為22萬公里/秒，比在空氣中的傳播速度慢一些。至此，光的波動學說已經打得微粒學說沒有還手之力了。

但波動派真正認為己方取得了最終勝利，還要等到 19 世紀末，科學家們發現了電磁波，一系列的實驗表明，電磁波的各種特性都與光非常相似。人們終于認識到，光就是一種電磁波。

到這里，似乎光的秘密已經大白于天下，波粒戰爭以波動派的徹底勝利而結束了。但是，有一朵烏云卻始終懸在波動派的頭上，那就是以太問題。

對于波動派來說，始終找不到以太存在的證據，這已經夠鬧心的了。可是，他們萬萬沒有想到，赫茲做了一個實驗，瞬間又讓波動學說陷入深淵，微粒派和波動派的“戰局”越來越精彩紛呈。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：科學聲音

審核：北交大物理實驗室高級工程師 周曉亮

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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