量子力學的詭異之根源在于“波粒二象性”。
要揭開量子力學之迷，不得不先從了解光的波粒二象性開始。
如果量子力學是一部傳奇的故事，光的“波”“粒”之爭就是它的前傳，我們就從這場跨越三個世紀的“論戰”開始吧......
首先，請閉上眼睛，先回顧一下這場“ 回腸蕩氣“”波瀾壯闊”的畫面：
古希臘時代人們就開始思考關于光的本質。根據經驗觀察和元素說的影響，那時人們認為光是一粒一粒的。
17世紀初，笛卡爾第一次提出了光是波的看法，加上惠更斯的支持，整個17世紀人們主要的觀點就是，光是一種波。
18世紀初的1704年，牛頓發表了《光學》，他說光是一種粒子。于是整個18世紀人們幾乎都承認，光是一種粒子。
19世紀初的1803年，托馬斯.楊做了一個著名的實驗，叫雙縫干涉實驗，它證實光是一種波。加上后來麥克斯韋電磁理論的證實與支持，于是人們在整個19世紀里都相信，光還是一種波。
20世紀初的1905年，愛因斯坦的光電效應理論說明，光也可以是一樣粒子，于是人們都被搞懵了……
真是各領風騷一百年啊！
都爭了300來年，還是別爭了，現在大家都相信光不僅是一種波，也可以是一粒子，還可以同時是一種粒子和波，這就是光的“波粒二象性”。
幾百年來這場爭論是如何展開的？他們都爭了些啥？
在古希臘時代，人們只是憑生活的經驗去理解，為何光只能走直線？光遇到了障礙物怎么不會繞過去呢？光在水中為什么會發生折射現象？....等等。這些觀察到的現象加上當時元素說的影響，人們認為光應該是一顆顆非常小的“光原子”組成。這種理論我們稱之為光的“微粒說”。當時歐幾里得的《反射光學》也論述到光的直線傳播原理和光的反射原理。
光的反射
直到17世紀初，笛卡爾才第一次提出了光是波的看法，在他的《折光學》中最先提出了這樣一種可能性：光是一種壓力，在媒介里傳播。他認為既然聲音是一種波，為什么光就不能夠是一種波呢？
后來意大利的數學教授格里馬弟做了個實驗，就是用一束光通過兩個小孔投射到屏幕上，這時在屏幕上出現了一些明暗條紋的圖案。這讓他想起了水波的衍射。于是他得出結論，光應該也象水波一樣是一種在介質中傳播的波。衍射也首次成為了光是一種波的有力證據。
雙孔干涉實驗
光的波動說，后來還得到了當時名氣比較大的胡克的支持，他在1665年出版的《顯微術》中明確支持了光是一種波的說法。他觀察了肥皂泡里映射出的色彩和通過薄云母片產生的光輝，斷定光就是一種波。
直到1672年，牛頓出現了，他初試牛刀。牛頓讓光通過三棱鏡看到不同顏色的光，這些不同顏色的光通過透鏡又可以聚焦為白光。這個光的散射實驗，讓牛頓堅信，光是一種微粒，這些不同的顏色就是不同的微粒。他給英國皇家學會秘書奧登伯格寫信介紹了他的理論，當時并沒引起多大的反響。
牛頓在做色散實驗
在惠更斯的有力反擊下。光的波動說還是占據著很大優勢。牛頓的微粒理論暫時還得不到更多人的支持。波動說認為，如果光是一種粒子，那么光在交差時，為什么不因為碰撞而改變方向呢？惠更斯引入“波前”等概念成功的用波的理論證明和推導了光的反射和折射定律。這對于“微粒”說方面可說是沉重的打擊。1690年，惠更斯發表了他的著作《光論》標志著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。波動說在整個17世紀幾乎都是占了上風。
但是，惠更斯的波動理論也有他的缺陷。波動說認為，光不是一種物質粒子，而是由于介質的振動而產生的一種波。那么這種介質是什么？當時惠更斯用的是“以太”來作為應付，但是以太是否存在，當時也沒有證實。另外，惠更斯認為光是一種橫波，這就沒法解釋光的偏振現象。
十八世紀初的1704年，牛頓終于重拳出手了，他的煌煌巨著《光學》一出版，波動說幾乎已是搖搖欲墜。
牛頓問：如果光是一種波，他遇到障礙物時，為什么沒像聲波一樣繞開呢？牛頓認為在白光中已經存在了各種色，白光可以說是不同色的各種微粒的混合體。在他的色散實驗中，棱鏡把它們各自分開了。
關于折射現象，牛頓的解釋是，根據力學理論，由于玻璃的粒子所發出的力作用在光的粒子上，所以光的方向才會發生改變。
但是牛頓粒子理論也有自已的破綻，他沒法很好的解釋衍射中出現的種種現象，也沒法回答兩束光交差碰撞時，為什么沒有因碰撞而改變方向。
甚至他發現的牛頓環，還為他擺上了一個烏龍。牛頓環是一種光的干涉圖樣。1657年，由牛頓首先進行了定量測量。平凸透鏡與玻璃平板組合時，用單色光照射透鏡與玻璃板，可以觀察到一些明暗相關的同心圓環。這個衍射現象是波動說的有力證據。但是當時牛頓卻用微粒說去勉強的解釋。
牛頓環
雖然牛頓的微粒說還有很多不完備之處，但是，那時的牛頓已經是出版了《原理》的牛頓，他已經發明了微積分、還是國會議員、鑄幣局的局長和英國皇家學會主席。
這些光環，讓牛頓的微粒說，成為了整個18世紀的主流理論，波動說幾乎是處于被動挨打的局面。
正當微粒說沉浸于水月靜好，唯我獨尊之時，半路殺出個程咬金。這個人就是托馬斯.楊。他做了個著名的實驗，就是楊氏雙縫干涉實驗。這個實驗在2002年，曾被《物理世界》評為十大經典物理實驗并且排名第一。
托馬斯.楊
當時因為沒有激光，楊是用蠟燭來做這實驗的。就是在一個遮擋板的中間開兩條縫，讓燭光透過兩個縫隙之后，打在后面的屏幕上，會形成一片非常漂亮的明暗相間的條紋。
雙縫干涉實驗
這些明暗相關的條紋的形成，我們可以從水波中理解，在平靜的湖面上于不同的地方扔兩個小石塊，形成的兩個水波擴散開來，當這兩個水波相遇時，波峰和波峰重疊，就會形成更大的波峰，當波峰和波谷相遇，就會相互對消。這個現象就是波的“干涉”。
水波干涉
那么光通過兩條縫也能形成這個明暗相間的干涉條紋，證明光是一種波。這個就成為光是一種波的最有力證據。楊于1803年發表了他的論文報告，闡述了如何用光的干涉效應來解釋牛頓環和衍射的現象，還計算出了波的長度。
楊氏雙縫實驗之后，菲涅爾再次用他的理論解釋了光的衍射現象。支持微粒說的泊松并不相信菲涅爾，他認為按菲涅爾的理論，當光照射在一定大小的圓盤上時，會在后面的光屏上出現環狀的衍射條紋，并且在圓心處出現一個亮斑，這是不可思議的！
菲涅爾
然而，這個實驗真的被阿拉果做了出來，他用單色光照射在寬度小于光源波長的小圓盤上時，真的會出現互為圓心的衍射條紋，并且在圓心處有一個亮斑。
泊松亮斑
事實面前泊松啞口無言，在微粒說方面，牛頓環本來就自擺烏龍，泊松這次又在自已的球門踢進了一球。
波動論方太高興了，為了記下泊松這個大功勞，慷慨的把這個現象稱為“泊松亮斑”。
波動說這個時期似乎吃了靈丹妙藥，支持它們的實驗一個接一個，勢如破竹。
菲涅爾假設光是一種橫波（惠更斯當時認為是縱波），就是象水波那樣，波振動的方向和傳播的方向是垂直的。而縱波就象聲波，波振動的方向與傳播的方向一致。菲涅爾的橫波理論解決了當時波動說中存在的“光的偏振”問題。
傅科通過實驗又證實了光在水中的速度小于真空中的速度。按微粒說理論，光在水中的速度比真空中的速度快。傅科的這個發現，簡直是判了粒子說的死刑。
1856年，麥克斯韋發表了他的第一篇電磁理論，并于1873年出版了他那著名的《電磁通論》一書。從此，波動說幾乎就奠定了它的統治地位了。
麥克斯韋的電磁理論認為，光就是一種電磁波，它是由引起電現象和磁現象的同一介質中的橫波組成的。電和磁（電磁波）可以似波一樣在真空中傳播而不需要任何介質，并且可測算出電磁波的速度和光速一樣。
麥克斯韋
1888年赫茲通過實驗發現了電磁波，證實了麥克斯韋的理論。光是一種波的理論至此取得了決定性的勝利。但是，波動說的勝利還是個暫時性的勝利。20世紀初的1905年，愛因斯坦終于出手了！
愛因斯坦是怎么出手的？下一篇量學力學的誕生我們再說。請關注醬子聊科學。
