世界究竟是粒子還是波？這是一場牛頓、玻爾都參與持續百年的論戰

摘要：在 1678 年，惠更斯在法國科學院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，並在 1690 年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理，促進了光學研究的發展，由此掀起了第一次波粒大戰。楊的實驗結果給學界帶來了很大的衝擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論，然而，當時牛頓已經成爲了權威，容不得質疑，科學界對於微粒說深信不疑。

世界究竟是什麼？這是一個哲學命題也是一個科學命題，在科學還沒有進入微觀世界之前，光這種迷人而又耀眼的存在一直吸引着科學家們的目光，光究竟是什麼呢？這個問題在科學界的腦海裏產生之後，由此誕生了一場長達300年的波粒之戰。

第一次波粒大戰

第一次波粒之戰，牛頓還是一個繞不開的話題（當然，第二次也繞不開），你會發現翻閱整個物理學發展史，牛頓、愛因斯坦、玻爾、麥克斯韋這幾個人都是很難繞得開的存在。

在 1660 年，牛頓的一生死敵胡克發表了他的光波動理論。他認爲光線在一個名爲發光以太的介質中以波的形式四射，並且由於波並不受重力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。胡克的光波動理論是光的波動說的雛形。

而與胡克死掐的牛頓則提出了相反的意見，他在法國數學家皮埃爾·伽森荻提出的物體是由大量堅硬粒子組成的基礎上，根據光的直線傳播規律、光的偏振現象，最終於 1675 年提出假設，認爲光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。微粒說由此產生。

牛頓的分光實驗

牛頓與胡克之爭還沒有進入白熱化，這個時候，法國科學院的掌門人惠更斯插進來了，相比起胡克，惠更斯成名已久，德高望重，是科學界的前輩。而且身爲法國科學院的掌門人，弟子衆多。

在 1678 年，惠更斯在法國科學院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，並在 1690 年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理，促進了光學研究的發展，由此掀起了第一次波粒大戰。

兩個人都有各自的支持者。惠更斯當時在數學、天文學、光學諸方面已多有建樹,被荷蘭人視爲與大文豪斯賓諾莎齊名的國寶。牛頓更是不同凡響, 被英國尊奉爲超級巨星、科壇泰斗。

兩個人都想證明自己在光學上的扛把子地位，所以牛頓和惠更斯都力證自己的纔是正確理論。

他們在各自的領域裏已經有所建樹, 而且他們的觀點都能解釋許多生活中人們常見的現象, 崇拜權威的心理使人們紛紛站隊，所以導致了偏激的爭執。後來這些支持者火上澆油，波粒之戰達到了高潮，甚至在惠更斯去世之後也沒有停止。

在惠更斯去世之後，牛頓出版鉅著《光學》，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，闡明瞭反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的內容，他更從波動說中汲取養分，將波動說中的震動、週期等理論引入粒子論，全面完善補足了粒子學說。緊接着他將波動說無法解釋的問題一一提出，並對惠更斯當年的《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，扭轉了光學兩大理論交鋒局勢，贏得了第一次波粒之戰的勝利，此後的一個世紀，微粒說一直牢牢佔據着光學研究的主流。

第一次論戰，牛頓微粒說勝

第二次波粒大戰

1807 年，在波粒之戰過去 103 年之後，著名的科學家托馬斯·楊在實驗室進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗，由此拉開了第二次波粒大戰的序幕。

托馬斯·楊堪稱是科學家裏的奇才，他的跨界領域簡直讓人匪夷所思，除了在力學、材料力學、數學、光學、聲學、流體動力學、船舶工程、潮汐理論、毛細作用以及生理學方面具有驕人成就之外，他還涉獵語言學、動物學、考古學、文字學。並且，他會演奏當時的所有樂器，對畫畫也十分精通，還會製造天文器材，還研究經濟問題，同時還是一個醫生。托馬斯·楊更擅長騎馬，並且會耍雜技走鋼絲。

他這個人聰明到了程度呢？在 13 歲時他已經能夠閱讀拉丁文、希臘語、法語和意大利語，20 歲時掌握了希伯來語、阿拉伯語、波斯語等東方語言，不知道爲啥沒有研究漢語。他也被譽爲“這個世界上最後一個什麼都知道的人”。

托馬斯.楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，他突然產生了疑問“爲什麼會形成一明一暗的條紋呢？”他想：“用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因爲兩道光正好是“同向”的，它們的波峯和波谷正好相互增強，結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於“反向”，它們的波峯波谷相對，正好相互抵消了。“

後來他又發現水波會以同樣的方式衍射過堤岸上的兩個狹窄隘口，然後發生干涉，在有些地方水波相互增強，發生相長干涉，有些地方水波相互抵消，發生相消干涉。

爲了驗證這個想法，他立即進行了一系列實驗，這便是著名的楊氏雙縫干涉實驗。這個實驗中學物理課本上也有。

就是把一個手電筒放在一張開了一個小孔的紙前邊，然後在紙後邊再放一張紙，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牆壁上，就會形成一系列明、暗交替的條紋。

這個實驗成了支持光的波動理論的絕佳例子，楊氏雙縫實驗也被稱爲光的干涉現象，干涉這個名詞也是楊首次提出的。他證實了光纖通過平行且距離很小的兩個小孔，通過兩小孔頻率相同的光會發生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實驗結果給學界帶來了很大的衝擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論，然而，當時牛頓已經成爲了權威，容不得質疑，科學界對於微粒說深信不疑。托馬斯.楊遇到了和麥克斯韋一樣的事情。他們對於楊的實驗結果予以否認，並稱之“荒謬絕倫”。

托馬斯.楊遭受到了無與倫比的壓力，他在雙縫實驗得出來的結論被無情封殺，據傳只印刷了一本，還是自己自費印刷的，後來托馬斯.楊宣佈退出光學研究，轉而研究考古學，當然在考古學他也作出了巨大的成就。

托馬斯.楊的著作點燃了量子革命的導火索（這是後話），光的波動說在經過了百年的沉寂之後，終於又回到了歷史舞臺上來。然而，第二次波粒大戰也纔剛剛掀起一個高潮，第二次波粒大戰可以說是一羣科學家對當時主流學界的抗戰！

在楊之後，菲涅爾也向主流學界發起了挑戰，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上假定次波與次波之間會彼此發生干涉，又假定次波的波幅與方向有關。惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現象。但是菲涅爾的這次論戰並沒有取得完全的勝利，不過的確動搖了一部分人，因爲它能夠說明偏振現象的機制，這是光微粒說所不能夠的。可以說菲涅爾原理提出之後牛頓的微粒說的權威地位開始鬆動，菲涅爾的理論成爲了第二次波粒戰爭的決定性事件。

而接下來傅科和核磁的實驗則直接推翻了牛頓的微粒說權威地位，獲得了第二次波粒大戰的終極勝利。

1819 年 5 月 6 日，傅科向法國科學院提交了他關於光速測量實驗的報告：他發現水中的光速要小於真空中的光速，後者只有前者的 3/4.。因爲根據微粒理論，這個速度應該比真空中的光速要快，而根據波動論，這個速度應該比真空中要慢纔對。

傅科測光速示意圖

這個實驗報告可以說基本宣佈了微粒說的死刑，而赫茲的實驗則直接給了致命一刀。

1887 年，赫茲實驗誕生，H . R . 赫茲用實驗方法產生了電磁波。光與電磁現象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動理論與電磁理論融成了一體，產生了光的電磁理論。

赫茲電磁波實驗

在經過 80 多年的論戰之後，光的波動說重新成爲主流，而赫茲的實驗也拯救了麥克斯韋，當時牛頓的超距作用處於權威地位，麥克斯韋的電磁波理論被打壓否定，而核磁的實驗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

而第三次波粒大戰就要涉及到玻爾與愛因斯坦了，當然，這次論戰，並不是他們兩個人開打的，而是他們手下的大將海森堡與薛定諤。

這次論戰還是還是起源於楊的雙縫實驗，不過愛因斯坦得出了不一樣的結果，當你降低光的強度，直到每次只有一個光子進入整個實驗裝置時，奇異之旅就開始了。1905 年，愛因斯坦已經明確提出，單個光子是一個粒子。由此愛因斯坦提出的光量子理論，解釋了光電效應，並因此獲得了諾貝爾獎。

在愛因斯坦提出光量子理論之後，大家發現楊的實驗結果也並沒有錯，這個時候人們開始意識到光波可能同時具有波和粒子的雙重性質。

那時，哥本哈根學派的掌門人波爾( Bohr ) , 克萊默（ Kramers )還有斯雷特( Slater )發表了一個 BKS 理論提出 "波子" 及 "機率波" 模型，嘗試說明光的二重性，並用統計方法重新解釋能量及質量守恆。

玻爾

可惜這個 BKS 理論大錯特錯，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掀起 20 世紀最大規模論戰的老對手居然罕見的意見相同。

而這個時候第三次波粒大戰的主人公海森堡出場了，在當時物理學的研究對象應該只是能夠被觀察到被實踐到的事物，物理學只能從這些東西出發，而不是建立在觀察不到或者純粹是推論的事物上。也就是物理學的研究領域還只處於宏觀領域，而不涉及微光領域。

而海森堡卻並不甘心將自己的研究停滯在宏觀領域，從而提出了矩陣力學，認爲電子是量子化的，像粒子一樣在不同軌道上躍遷。

薛定諤從經典力學的哈密頓-雅可比方程（使用分析力學中求解動力學問題的一個方程）出發，利用變分法（一種求解邊界值問題的方法）和德布羅意方程，最後求出了一個非相對論的方程，用希臘字母ψ來=帶表波的函數，最終形式是：

這就是名震 20 世紀物理史的薛定諤波動方程。認爲電子是一種波，就像雲彩一般（電子雲說法的由來），放大來看後，就好像在空間裏融化開來，變成無數振動的疊加，平常表現出量子的狀態，是因爲它蜷縮的太過厲害，看起來就像一個小球。函數ψ就是電子電荷在空間中的實際分佈。

薛定諤方程

兩個人將波粒之爭深入到了微觀領域，可以說進入了白熱化的程度。海森堡撰寫的矩陣力學論文，由於計算方式太奇怪，被人紛紛的改寫成“共軛”的波動方程形式。

鬱悶的海森堡後來提出了著名的不確定原理來論證他的觀點，什麼意思呢？給定全部條件？這個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，對我們來說，唯一知道的只是我們每次看到的電子是什麼。我們看到電子呈現出粒子性，又看到電子呈波動性，那麼當然我們就假設它是粒子和波的混合體。我們無需去關心它“本來”是什麼，也無需擔心大自然“本來”是什麼，我只關心我們能“觀測”到大自然是什麼。電子又是粒子又是波，但每次我們觀察它，它只展現出其中一面，這裏的關鍵是我們“如何”觀察它，而不是它“究竟”是什麼。”

其實這麼長一段話的意思就是：它既是一個粒子，同時也是一個波！你觀察的角度不同，那麼你看到的東西也就不同。

我們在前面說到，愛因斯坦提出的光量子理論，這個時候人們就開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。而加上玻爾的這番話，於是德布羅意出來平息這場爭鬥，在 1924 年提出了“物質波”假說，認爲和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象。

後來到 1926 年 4 月份，因爲這種對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、約爾當都各自證明了，這兩種力學在數學上來說完全等價。

不過這個假說並沒能平息這場爭鬥，直到 1927 年，C . J . 戴維孫和 L . H . 革末在觀察鎳單晶表面對能量爲 100 電子伏的電子束進行散射時，發現了散射束強度隨空間分佈的不連續性，即晶體對電子的衍射現象。幾乎與此同時，G . P. 湯姆孫和A.裏德用能量爲2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發現證實了 L. V . 德布羅意提出的電子具有波動性的設想，從而證實了一切物質都具有波粒二象性。