光究竟是什么，古希臘人認(rèn)為光是由非常小的微?！肮庠印苯M成，蘊含著非常樸素的辯證唯物主義觀點，古代中國對于光究竟是什么，就比較哲學(xué)了，古中國科學(xué)家認(rèn)為光產(chǎn)生于氣，是一種由光源發(fā)出的特殊的氣。

對于光的系統(tǒng)研究，西方起源于笛卡爾，笛卡爾在《屈光學(xué)》中首次對折射定律提出了理論論證。他還解釋了人的視力失常的原因,并設(shè)計了矯正視力的透鏡。

笛卡爾提出了光的波動學(xué)說的雛形，然后在1660年代，著名物理學(xué)家胡克發(fā)表了他的光波動理論。他認(rèn)為光線在一個名為發(fā)光以太的介質(zhì)中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影響，他假設(shè)光會在進入高密度介質(zhì)時減速。并且對惠更斯給完善。

后來，光的波動學(xué)說被惠更斯完善，1678年，惠更斯在法國科學(xué)院的一次公開演講中推翻了牛頓的光的微粒說，并在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(xué)研究的發(fā)展。

《光論》里面所涉及到的最重要的光學(xué)理論就是光波理論。他認(rèn)為從波源發(fā)射出的子波中的每一點都可以作為子波的波源，每個子波波源波面的包洛面就是下一個新的波面。在此原理基礎(chǔ)上，他發(fā)現(xiàn)了光的衍射、光的折射定律和反射定律，解釋了光在光密介質(zhì)中傳播速度減小的原因。

然而，同時代的牛頓卻并不認(rèn)同光是一種波，他認(rèn)為光是一種微粒，在牛頓之前，法國數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻提出物體是由大量堅硬粒子組成，牛頓非常認(rèn)同伽森荻的觀點，他根據(jù)光的直線傳播規(guī)律、光的偏振現(xiàn)象，最終于 1675 年提出假設(shè)，認(rèn)為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播。微粒說由此產(chǎn)生。

兩個人由此掀起了長達(dá) 300 年波粒大戰(zhàn)，當(dāng)時惠更斯和胡克先后去世，牛頓出版巨著《光學(xué)》，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，闡明了反射、折射、透鏡成像、眼睛作用模式、光譜等方方面面的內(nèi)容，他更從波動說中汲取養(yǎng)分，將波動說中的震動、周期等理論引入粒子論，全面完善補足了粒子學(xué)說。緊接著他將波動說無法解釋的問題一一提出，并對惠更斯當(dāng)年的《光論》加以駁斥。

隨著牛頓的聲名愈發(fā)隆盛，牛頓的微粒學(xué)生可以說在長時間里壟斷了對光的解釋權(quán)。

后來，著名科學(xué)家托馬斯.楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時候，他突然產(chǎn)生了疑問“為什么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，那是因為兩道光正好是“同向”的，它們的波峰和波谷正好相互增強，結(jié)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于“反向”，它們的波峰波谷相對，正好相互抵消了。“

后來他著名的楊氏雙縫干涉實驗。就是把一個手電筒放在一張開了一個小孔的紙前邊，然后在紙后邊再放一張紙，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墻壁上，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為光的干涉現(xiàn)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(fā)生互相影響投射出明暗相間的圖案

楊的實驗結(jié)果給學(xué)界帶來了很大的沖擊，也極力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論，再到后來菲涅爾、傅科、核磁紛紛通過實驗證明光波動理論的正確性， 歐拉也是波動學(xué)說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》中闡述了他的這一觀點，他認(rèn)為波理論更容易解釋衍射現(xiàn)象。

可以說從牛頓開始的 300 年里，關(guān)于光究竟是波還是粒子的爭論一直沒有停止，兩大學(xué)說可以說有很多的擁簇，可以說輪流壟斷了對光的解釋權(quán)。

而到了 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初，物理學(xué)向微觀領(lǐng)域發(fā)展，這個問題也就轉(zhuǎn)變成了粒子層面了，它們究竟是光還是波？

在當(dāng)時，海森堡就認(rèn)為電子是量子化的，像粒子一樣在不同軌道上躍遷。而薛定諤則認(rèn)為電子是一種波，就像云彩一般（電子云說法的由來），放大來看后，就好像在空間里融化開來，變成無數(shù)振動的疊加。

而讓愛因斯坦獲得諾獎的光電效應(yīng)就初步提出了波粒二象性的概念，次論戰(zhàn)還是還是起源于楊的雙縫實驗，不過愛因斯坦得出了不一樣的結(jié)果，當(dāng)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(jīng)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(yīng)，并因此獲得了諾貝爾獎。

在愛因斯坦提出光量子理論之后，大家發(fā)現(xiàn)楊的實驗結(jié)果也并沒有錯，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(zhì)。

而真正提出了光粒二象性理論的則是德布羅意，為了解釋 X 射線上出現(xiàn)的現(xiàn)象，1920 年，德布羅意重新開始研究理論物理，特別是關(guān)于量子問題，在1923年9月和10月，德布羅意在《法國科學(xué)院院導(dǎo)報》上發(fā)表了的三篇有關(guān)波和量子的短篇論文，這個時候就已經(jīng)初顯他物質(zhì)波的思想。

最終， 1924 年，德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中初步提出了相位波也就是物質(zhì)波的概念，在這篇論文中運用了兩個最亮眼的公式： E=hv 和 E=mc2。

德布羅意博士論文部分截圖，論述光子能量公式部分，需要完整論文的可以和我要鏈接

這都是愛因斯坦最著名的關(guān)系式，前者對光子能量而言（第一個公式的提出有普朗克的功勞），后者是描述質(zhì)量與能量之間的當(dāng)量關(guān)系。

德布羅意把兩個公式綜合再作出假設(shè)，他認(rèn)為光量子的靜止質(zhì)量不為零，而像電子等一類實物粒子則具有頻率的周期過程。

所以在論文中他才得出一個石破天驚的結(jié)論， 任何實物微粒都伴隨著一種波動。

這種波被德布羅意稱為稱為相位波 。

相位波

在這個博士論文中，德布羅意首次正式提出了“波粒二象性”，他指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動量與波長的關(guān)系式 p=h/λ 推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等于普朗克恒量 h 跟粒子動量 mv 的比，即 λ= h/（mv）。這個關(guān)系式后來就叫做德布羅意公式。而且根據(jù)這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象。

電子衍射

德布羅意的理論中揭示了每一種微觀粒子都具有波粒二象性。1921 年，著名美國科學(xué)家戴維森和助手康斯曼在用電子束轟擊鎳靶的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，鎳靶上發(fā)射的“二次電子”竟有少數(shù)具有與轟擊鎳靶的一次電子相同的能量，顯然是在金屬反射時發(fā)生了彈性碰撞，他們特別注意到“二次電子”的角度分布有兩個極大值，不是平滑的曲線。他們并沒有意識到這其實是一種衍射現(xiàn)象，試圖仿照盧瑟福 α 散射實驗試圖用原子核對電子的靜電作用力解釋這一曲線。所以當(dāng)戴維森繼續(xù)做電子散射實驗想繼續(xù)獲得這種曲線的時候，結(jié)果并不理想。

后來戴維森隨著名物理學(xué)家里查森參加了會議。意識到他們進行的實驗有可能是德布羅意物質(zhì)波假說所預(yù)言的電子衍射的證據(jù)。

里查森

回到美國之后，他馬上就重新做了該實驗，于1927年發(fā)表了實驗結(jié)果。 這個實驗，也正是德布羅意論答辯當(dāng)日提出的“電子的衍射實驗”。 也就是說如果電子具有波動性，那么電子束在通過障礙物時應(yīng)該會和光一樣產(chǎn)生衍射。

電子衍射實驗示意圖

幾乎是同時，著名物理學(xué)家、電子的發(fā)現(xiàn)者J.J湯姆遜的兒子P.G.湯姆遜也以高速電子穿過多晶金屬箔獲得類似X射線在多晶上產(chǎn)生的衍射花紋，確鑿證實了電子的波動性；為德布羅意波提供了又一堅實的基礎(chǔ)。 他們兩個人一起于1937年斬獲諾獎。

單電子雙縫實驗

在這之后，各種粒子的衍射實驗也被證實成功，德布 羅意的理論徹底無懈可擊。

P.G湯姆遜（另一位諾獎得住J.J湯姆遜之子）

對德布羅意物質(zhì)波的研究在 21 世紀(jì)也沒有停止，2015年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家就成功拍攝出光同時表現(xiàn)波粒二象性的照片。

波粒二象性是微觀世界的基石 波粒二象性是量子理論建立及發(fā)展過程中的一個非?；径种匾乃枷?同時也是微觀粒子的固有屬性。上帝似乎在和這三百年來參與論戰(zhàn)的所有科學(xué)家開了一個大大的玩笑，這場持續(xù)日久，參與者眾多的大論戰(zhàn)，最終卻沒有輸者，因為他們極力捍衛(wèi)的學(xué)說都是正確的，只不過對了一半。。。