牛顿的波粒战争：生命中的关键抉择

谈到光的本质，我们需要从对光学研究做出卓越贡献的艾萨克·牛顿说起。

1643年，牛顿降生于英国的一个普通乡村。由于父亲早逝，牛顿从小跟着外祖母长大，童年生活相当困窘。勉强在乡下读完小学后，牛顿被母亲带到格兰瑟姆小镇，进了一所清教徒学校。十六岁时，牛顿面对一个重要的人生抉择：他是应该回到农村当一个农民呢，还是外出寻找其他出路？

幸运的是，十六岁的牛顿不具备成为合格农民的基本素质，他不会放羊，也不会种地，却对读书充满了兴趣。后来，在中学校长的帮助下，牛顿得到了去剑桥大学三一学院读书的机会。那里是培养神父的著名学府，却成为牛顿向科学进军的起点。

时逢英国时局动荡，战乱频仍，不过这对牛顿的影响并不大。当时三一学院的管理非常宽松，牛顿有大量的空闲时间可以做自己感兴趣的事情，而他最感兴趣的就是读书，正好三一学院的图书馆藏有大量图书。读书之余，牛顿会去逛集市。剑桥大学附近的斯托尔桥集市非常热闹，聚集了南来北往的各种商人，在英国久负盛名。牛顿常去那里淘宝，买了许多旧书，还买过一个小玩意儿——棱镜。正是这个不起眼的小物件，将揭开人类光学研究的新起点。

1665年，瘟疫横扫伦敦，剑桥大学临时关闭，学生放假，牛顿回到家乡。有人说正是在这段时间里发生了牛顿被苹果砸中的故事，其实那只是一个传说。就算牛顿真的被苹果砸到头，当时也并没有对他的科学研究产生多少积极的影响，因为他在此后的十多年时间里并没有提出什么独到的力学见解。牛顿只是利用这段时间阅读了大量的数学著作，为以后成为一名数学家打下了基础。当瘟疫结束，牛顿重新回到剑桥大学时，他的数学水平已经超过了导师艾萨克·巴罗。巴罗很快察觉到了这一点。身为剑桥大学的第一任卢卡斯数学教授，巴罗有着令人尊敬的修养。有一次，巴罗请牛顿给自己的《光学讲义》提点建议，牛顿却对讲义进行了全面修改，这让巴罗非常吃惊，他开始意识到，这个后起之秀已经全面超越了自己。

1669年秋天，枯黄的树叶落满了剑桥大学的林荫小道，巴罗决定辞去卢卡斯数学教授一职，把职位让给牛顿，二十六岁的牛顿便成为剑桥大学的正式教授。

《圣经·旧约》中有这样一句话：“上帝说，应该有光：于是便有了光。”但“上帝的子民”在很长时间内都不知道光究竟为何物。

牛顿决心揭开上帝的秘密。

早在1666年，一个偶然的机会，牛顿凭借在斯托尔桥集市买来的棱镜，在小黑屋里发现了一种有趣的光学现象。围绕这个发现，他在剑桥大学开设了一系列的光学讲座。在第一次讲座中，他详细描述了著名的棱镜实验，向大家坦言他在小黑屋里看到的奇迹：他让一束阳光通过小孔进入暗室，穿过棱镜射到墙上，结果阳光在墙上形成了一条彩色的光谱带。通过这个实验，牛顿得出一个著名的结论：白光不是纯净的单色光，而是由各种颜色的光混合而成的。不同颜色的光折射率不同，所以经过棱镜后会被区分开来，这就是光的色散。［2］

通过棱镜实验，牛顿把阳光分解为紫色光、蓝色光、青色光、绿色光、黄色光、橙色光、红色光共七种光。后来我们通常把那条彩色光带称为光谱，把不同颜色的光看作连续光谱中的成分。

为什么不同的光会有不同的颜色呢？尽管牛顿可谓是天纵英才，他当时对这个问题却也一筹莫展。为了解开心中的谜团，他开始转向研究光的本质。他需要解决一个根本性的问题：光是什么？

正是这个小小的问题，引发了物理科学史上最著名的论战，那就是光的波动性与粒子性之争，简称波粒战争。

在牛顿之前，已经有许多学者思考过光的本质。公元前300年左右，欧几里得就认为，光以直线传播，因此可以用几何方法加以研究，并提出了著名的反射定理。后来，勒内·笛卡尔受到反射定理的影响，直接把光假设成小球，并在此基础之上进行了大量的数学推导。小球假设，事实上就是粒子说的雏形。所谓光的粒子说，就是认为光的本质是一种极其微小的粒子，所以才会像乒乓球一样在接触界面出现反弹。粒子的重要特征是轨迹清晰而确定，就像猫一样，要么在这里，要么在那里，在某个特定的时间，必然出现在某个特定的位置，绝不会凭空消失。牛顿也持同样的观点，他在1672年向英国皇家学会提交了自己的第一篇论文，重点讨论光的色散现象，解释这一现象的方案就是光的粒子说。

既然几种光可以混合，也可以分开，牛顿理所当然地认为，这些光应该是不同颜色的粒子，所以才可分可合，不过光的粒子说和当时占主流地位的波动说明显冲突。

光的波动说认为光的本质是一种波，你的猫在卫生间里叫了一声，你在卧室里能听见，在客厅里也能听见，这就是波的重要特征——可以绕过障碍物发生衍射，与粒子的行为存在根本差异，因为粒子是无法绕过障碍物的。在我们已知的物理世界里，粒子是粒子，波是波，二者绝对不会混淆。举个例子，如果你射出一颗子弹，这颗子弹具有粒子特征，每颗子弹只能打死一个人，但如果这颗子弹是波的话，那么一颗子弹就能打死一屋子的人。很显然，这是难以理解的现象，所以波动说和粒子说是两种水火不相容的学说。不妙的是，当时主张波动说的恰恰是英国的科学权威罗伯特·胡克。

在牛顿出道之前，胡克就已经是英国的传奇人物了，他在天文学和生物学领域都有突出贡献，不但用自己制造的望远镜观测了火星，还用自己制造的显微镜观察了细胞。胡克之所以支持波动说，是因为美丽的肥皂泡。胡克清楚地知道，在肥皂泡上明显发生了光的干涉，而干涉是波的另一个基本特征，是支持光的波动说的重量级证据，所以胡克支持的波动说原本胜率极高，只可惜他的对手牛顿是科学史上著名的小气鬼。

此事说起来也怨不得牛顿，确实是胡克先欺负牛顿的。当时胡克读了牛顿的论文后，立即对他展开了猛烈的批评。毕竟牛顿刚刚出道，而胡克是英国皇家学会的创始会员，他有权力也有兴趣对年轻人大肆打击，所以几乎把粒子说批驳得一无是处。如果当时胡克知道以后牛顿会取得惊人的成就，他肯定会收敛一下自己的态度。

面对胡克的批评，牛顿勃然大怒，不但撤回了自己的论文，而且宣布从此不再发表任何论文。这话当然不必当真，但两人之间的梁子从此算是结下了。

其实牛顿原本没有必要坚持粒子说，别人可能不明白光的波动说意味着什么，牛顿不可能不明白，因为他曾亲自发现了“牛顿环”现象，那简直就是支持波动说的最好证据。

早期科学家无论制作望远镜还是显微镜，都得靠自己动手磨制镜片，牛顿就是在磨制镜片的过程中发现了“牛顿环”。他将一块凸透镜放在一块玻璃平板上，再用单色光照射，结果观察到了一些明暗相间的同心圆环，那显然是光的干涉的结果，足以证明光的波动性。牛顿对此非常了解，他甚至可以通过圆环的半径计算出光的波长。所以，事实上当时牛顿仍在粒子说与波动说之间徘徊，结果胡克的当头一棒，彻底把他打成了粒子说的代言人。

牛顿反对波动说可能纯粹是为了打击胡克，于是他置“牛顿环”现象于不顾，死死地抓住光的另一个特点，就是像射出去的子弹那样沿直线传播，而且可以像乒乓球那样发生反弹，那只能是粒子的特征，而不是波的特征。

为了避免口水仗，不给胡克任何反驳的机会，牛顿故意等到胡克去世后才出版巨著《光学》。在书中，牛顿详尽阐述了光的混合与分散现象，并从粒子角度解释了薄膜透光、“牛顿环”以及衍射等现象，同时彻底驳斥了波动说。他反击波动说的一个重要理由是：如果光真的是一种波，那为什么不能绕过障碍物，而是会留下阴影呢？这个观点符合大多数人的观察，因而深得人心。［3］(www.xing528.com)

更重要的是，牛顿把自己的光学理论和力学理论捆绑在一起加以论证，而那时他已经出版了《数学原理》，提出了著名的万有引力定律，学术成就举世无双。在当时的人们看来，凡是牛顿支持的理论，就是正确的理论；凡是牛顿反对的理论，基本等同于错误的理论。当时的科学界需要面对一个简单的选择：如果承认牛顿力学，那么就必须同时承认牛顿光学。

迫于牛顿强大的影响力，光的粒子说就这样在科学界站稳了脚跟，而波动说则被打入冷宫，近百年无人问津，直到英国物理学家托马斯·杨横空出世，波动说才再次登上科学舞台。

当托马斯·杨于1773年在英国出生时，牛顿已经去世四十多年。尽管牛顿的影响仍在，不过托马斯·杨也绝非俗手。无论从哪一方面评价，他都是一位神奇的天才，对当时的所有科学领域几乎都有所涉及，被称为世界上最后一位什么都懂的人。与牛顿相反，托马斯·杨坚决拥护光的波动说。为了证明光的波动性，他于1801年设计了著名的双缝干涉实验：先在窗户上贴一张纸，再在纸上开一个小洞，洞的大小只能透过一束细细的光，然后再用一张卡片将这束光一分为二，当这两束光投射到对面墙壁上时，就会在墙壁上产生清晰的明暗条纹，那是典型的干涉现象，是波的重要特征。托马斯·杨甚至计算出各种颜色波的波长，证明了光的波动性，并开启了量子力学研究的大门，他的大名也因此而永载物理学史册。［4］

不过，在当时，由于牛顿的巨大名声，托马斯·杨的研究成果并没有被认可，十多年间无人问津。托马斯·杨为了宣传自己的理论，曾专门写了一本光学小册子，据说只卖出了一本，可谓最不畅销的科学作品。不过波动说的种子已经再次播下，很快就要生根发芽，发芽的地点不是在英国，而是在法国。

1818年，法国科学院举办了一次科学征文大奖比赛，要求参赛作者围绕光的衍射提出自己的观点和研究方案。征文的本意是想从反面批驳波动说，同时宣传粒子说的正确性，却遭到了意外的挑战。挑战的急先锋居然是接触光学研究不久的前建筑师奥古斯丁-让·菲涅尔。瘦弱多病的菲涅尔向大会提交的论文圆满地解释了光的衍射现象，却遭到了大奖委员会成员西莫恩·德尼·泊松的强烈反对。

泊松可不是普通人，他虽然不像牛顿那样超凡入圣，却是当时法国最负盛名的科学家，在数学、天文学、物理学等领域都取得了极高的成就，著名的“泊松分布”至今仍然是重要的数学工具。泊松看了菲涅尔的论文后，立即用他那非凡的抽象思维构建了一幅不可思议的图案。泊松指出，如果菲涅尔的方程正确，就会得出一个奇怪的结论：当用一束光照射在一个小圆盘上时，就会在小圆盘后面的屏幕中心造成一个亮斑。而那是不可能的，所以泊松认为菲涅尔的观点是错误的。

泊松预言了一切，只是没有预测到结果，他推导的前半部分全部成立，错就错在他没有通过实验来验证，而菲涅尔却做了。菲涅尔和同伴都觉得泊松的分析确实有道理，于是真的找了一个圆盘，并在圆盘后面的适当位置放了一块屏幕，当一束光照在圆盘上时，奇迹出现了，圆盘后面的屏幕上真的显出了一个亮斑，那是光的衍射的直接证据。泊松用自己的智慧帮助了对手，并狠狠地打了自己的脸。物理学家也没有放过这个嘲笑权威的机会，他们没有把这个亮斑命名为菲涅尔亮斑，而是命名为泊松亮斑。正是在泊松亮斑的照耀下，光的粒子说开始崩溃，波动说则扬眉吐气，重新占据了历史舞台。

光的波动说也有一个相当重要的弱点，即如果说光是像声音一样的波，就必须借助某种媒介才能传播，声音借助气体分子的震动才能在空气中传播，所以在真空中听不见声音；科学家却很难给光找到一个合适的传播媒介，所有的努力都以失败告终，光线似乎确实可以在真空中传播，这给波动说造成了巨大的干扰，支持者必须设法弥补这个漏洞，否则就远远算不上成功。

好在这个漏洞最终由伟大的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦堵上了。

麦克斯韦于1831年出生于苏格兰，幼称神童，十六岁就发表了第一篇论文《电磁学通论》，但没有得到物理学界的重视。此后他一直没有放弃这项研究，并最终封神称圣，于1865年用优美的电磁方程组完成了电磁理论的构建工作。麦克斯韦指出：变化的电场可以产生磁场，变化的磁场也可以产生电场，如此循环往复，电磁波就可以不需要介质传播，也就是说，电磁波可以在真空中传播。然后麦克斯韦又通过计算得出一个重要结论，即光的传播速度与电磁波相同，这意味着光波就是一种电磁波。电磁波涵盖了从微波到X射线、从紫外线到红外线、从γ射线到无线电波的所有波段，至于可见光，只不过是电磁波谱中的一小段而已。

麦克斯韦的电磁理论的伟大意义堪与牛顿的万有引力定律比肩。如果没有电磁理论，现代社会的一切都将无从谈起。可惜麦克斯韦英年早逝，于1879年卒于剑桥，享年四十八岁。后来爱因斯坦在纪念麦克斯韦百年诞辰的大会上，称电磁理论是自牛顿以来物理学最深刻和最富有成果的工作。牛顿把天与地之间的运动规律统一了起来，而麦克斯韦则把光与电统一了起来，他们所做的工作是人类科学史上最伟大的两次综合。［5］

麦克斯韦去世时，光的波动说已经大获全胜，粒子说终于告一段落，却没有退出历史舞台。时隔不久，另一个奇迹般的物理现象却如同可怕的招魂师，居然让粒子说起死回生，再次步入科学的殿堂。

那个奇迹般的物理现象就是光电效应，发现者手则是德国著名物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹。

赫兹于1857年出生于德国汉堡，少年时期喜欢学习阿拉伯语和梵文，而且还是个不错的木匠，后来去柏林等地学习科学，主要研究麦克斯韦的电磁理论，并于1880年获得博士学位。数年之后，赫兹到德国西南部的一座技术学院任教，他在那里装配了一间电学实验室，并从1886年起开始设计一系列实验，用于证明麦克斯韦的电磁理论。他将一段导线弯成圆形，中间留一个小小的缺口，用于制造电火花。只要磁场发生变化，线圈就会出现感应电压，同时在缺口处产生电火花。一旦出现电火花，就说明出现了感应电压，进而证明磁场变化确实会导致电场变化。经过不断地摸索，1888年，实验终于取得了圆满成功，赫兹在线圈缺口处观察到了不停爆发的电火花，充分证明了磁场变化诱发了电磁波。但与此同时，赫兹还发现了一个奇怪的现象：当有光线照射线圈缺口时，电火花就会变得更加明亮。赫兹把这个发现写成了论文，但在当时并没有引起太多注意。大家都被发现电磁波的伟大成就所震撼，那个光照引起的偶然变化却被忽略了。［6］

事实上，在忽明忽暗的电火花中，隐藏着一个与电磁理论同样伟大的发现，那就是光电效应。

当电磁波引起的轰动效应略微平息以后，有些物理学家开始关注赫兹的这个发现。通过一系列全新设计的实验，他们观察到了更神奇的结果。只要用紫外线照射金属表面，金属表面就会带正电，好像负电荷凭空消失了，而且越是活泼的金属，负电荷消失的速度就越快。正当科学家对此深感困惑的时候，英国物理学家开尔文爵士及时发现了电子，为这一现象提供了科学的解释，光电效应的概念才渐渐清晰起来。总地来说，光电效应意味着光子可以从金属物体中将电子击打出来，形成所谓的光电子，这个现象表明，波动说又有麻烦了。

实验观察表明，对于某种特定的金属来说，是否能够被击打出电子，似乎只和光的频率有关，而与光照强度无关。频率高的光，比如紫外线，便能击打出能量较高的电子，而频率低的光，比如红光，则一个电子也打不出来，无论光照强度多大都不行。再弱的紫外线也能够击打出金属表面的电子，再强的红光也无法做到这一点。增加光照强度只能增加击打出电子的数量，相对微弱的紫光，强烈的紫光可以从金属表面击打出更多的电子来。相比而言，再强的红光也无法击打出电子。

这一现象令科学家格外困惑。如果光只是一种波，那么光电效应就应该取决于光照强度，而非取决于光照频率。只要照射时间足够长，就应该能够产生光电子。但事实并非如此，说明光仍然具有粒子性。物理学家面对一个两难困境，如果承认光电效应，就必须承认光的粒子性；可一旦承认光的粒子性，就等于否定了光的波动性，这不但违背了伟大的麦克斯韦方程组，而且无法解释已被赫兹实际观察到的电磁波。

正当物理学家左右为难时，德国一位年轻的专利局文员出手了，他在1905年发表了一系列论文，一举终结了这场跨世纪论战，他就是二十六岁的阿尔伯特·爱因斯坦。

爱因斯坦的解决方案很简单：大家都不要争了，粒子说和波动说都有道理，光既是粒子，又是波，这就是所谓的波粒二象性。爱因斯坦称之为光量子，简称为光子。当光子的能量大于电子逃逸所需的能量时，就会产生光电效应，而光子的能量大小只和光的频率有关。通俗地说，频率越高，或者说波长越短，光子的能量就越高，所以紫外线的光子能量要高于红外线的光子能量。也就是说，紫外线更容易产生光电效应，红外线则很难产生光电效应。

物理世界的光电效应，在生物世界同样适用。正是因为光电效应，动物的视觉才成为可能。视觉的本质，事实上就是发生在眼睛里的光电效应。