光，是每個人天天見到的東西。它也被認為是這個宇宙最原始的事務之一，從西方神學到東方神話，代表光的神明都會格外受到崇拜，即使在《聖經》裡，神創造世界首先創造就是光，可見它在宇宙中所佔的獨一無二的地位。
可是光就是一種什麼東西？普通人很少去考慮這個問題。它看得見，卻摸不著，沒有氣味，也沒有重量。它似乎天生就是憑空出世，一下子充滿整個空間。這一切到底是怎麼發生的呢。早在柏拉圖時代就開始研究了。
光到底是一種什麼樣子的東西
在一段很長時間，光的“粒子說”和“波動說”就在不停的爭論誰是正確的。“粒子說”的人認為光是由一粒粒非常小的“光原子”組成的。而“波動說”則認為光是由於介質的振動引起的一種波，而這種能夠穿越真空，振動的介質他們稱之為“以太”。
光是由光粒子組成還是介質振動的波是一直爭論的話題
兩個學說誰也不能說服對方，直到16、17世紀，物理學諸神出現，引起了一場光的本質的大論戰。
一、牛頓大戰胡克，“粒子說”完勝
這裡首先介紹一下胡克: 羅伯特·胡克，英國皇家學會成員，他設計製造了真空泵，顯微鏡和望遠鏡，並發現了細胞。同時他在力學方面，彈性體變形與力成正比的定律，即胡克定律。
羅伯特·胡克
當時，另一名物理學家格里馬蒂認為，光顏色的不同，是因為光波頻率在不同引起的。這引起了胡克的注意，他通過光在肥皂泡映射出的色彩和通過薄雲母產生的光輝，認定光必定是某種快速的脈衝。並在他1665年出版的《顯微術》明確支持“波動說”。而“波動說”由於這位大神的加入，似乎佔據了一定的上風。
光的波動說因為胡克佔據了一定的上風
似乎上天並沒打算讓波動說繼續下去，因為，另一位大神，牛頓出現了！1672年，艾薩克·牛頓因為製造了一臺傑出的望遠鏡當選為英國皇家學會會員，年僅29歲。而牛頓在向皇家學會提交的第一篇論文就是關於光的色散的論文。
大名鼎鼎的艾薩克·牛頓
在牛頓的理論裡，所有的光都是粒子的疊合和分散。並從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環以及光的衍射。並駁斥“波動說”，質疑如果光和聲音一樣是波，為什麼光無法向聲音那樣繞開障礙物前進？他把他的“粒子說”巧妙的與他的力學體系結合在一起，使得對“波動說”進行了一次摧枯拉朽似的打擊。
牛頓環原理圖
這一輪大戰，牛頓和光“粒子說”大獲全勝，“波動說"潰不成軍。
二、菲涅爾、麥克斯韋大敗“粒子說”，“波動說”成為經典物理的奠基石
在牛頓和“粒子說”大勝後的近一個世紀，“波動說”一直都在地下工作。直到一位天才的出現，托馬斯·楊。他發現波動就像兩個水紋一樣，當兩個波動的波峰疊加在一起，波峰就會是原來的兩倍，而當一個波峰恰巧遇到另一水紋的波谷，兩者抵消，水紋就會變成平面。這在物理學稱之為“波動干涉現象”。
托馬斯·楊
那當初牛頓環會不會也是因為這個原理而產生的呢？由此點燃了光的“粒子說”和“波動說”第二次大戰的導火索。而真正取得決定性勝利的是菲涅爾，在1918-1819年，法國科學院舉行了一次懸賞論文競賽，競賽的題目是光的衍射以及推導光線通過物體時的運動情況。
菲涅爾
菲涅爾在競賽論文中採用波動的觀點，並以嚴密的數學推理，極為圓滿的解釋了光的衍射問題，當時還有個小插曲，競賽評委泊松發現將菲涅爾的理論應用於圓盤衍射的時候，在陰影中間會出現一個亮斑。這看起來很荒謬。但菲涅爾的同事，評委之一的阿拉果，堅持用實驗來檢測，結果發現真的有個亮點奇蹟的出現在圓盤陰影的中央。
圓盤後的光斑
隨後他又革命性的認為光是一種橫波而不是胡克認為的一種縱波（類似彈簧振動的波）。這使得光“波動說”大反攻的日子已經到來。“粒子說”的失手了重要的領地。隨後，另一位大神麥克斯韋發表了三篇關於電磁理論的論文，這是一份開天闢地工作。它證實了光只是電磁波的一類，另外還有我們看不見的紅外、紫外、X、r射線。這一切都是電磁波。而光的“粒子說”從此被打入地獄。
偉大的麥克斯韋
然而，這意味著終結嗎？
三、普朗克打開量子的魔盒，玻爾三戰愛因斯坦，取得完勝。
這回時間來到了1900年，那句著名的“物理學天空的兩朵烏雲”的話出現了。而這兩朵著名的烏雲，一朵是光在“以太”這種介質到底是什麼？隨後愛因斯坦用相對論徹底將“以太”這種看不見摸不著的介質徹底否定，世界上並沒有“以太”這種介質。
經典物理學的兩朵烏雲
我們再來介紹另外一朵烏雲，它來自一個“黑體實驗”。所謂“黑體”可以看做UI個空心的球體，內壁上塗滿吸收輻射的材料。因為從小孔射進去的光線無法反射出來，這個小孔看上去是絕對黑色的。
黑體
這時候黑體本身會輻射能量，計算這個能量有兩個公式，一個只在短波的範圍內計算精確，而另一個只在長波的範圍計算精確。而短波範圍計算精確的公式卻是用粒子的角度來推導出來的！“粒子說”有死灰復燃了？這時候另一位大神出現了，他的名字叫普朗克。
普朗克
普朗克在研究這兩個分別適用於不同波長的公式時，無意中用數學的方法得出了一個公式，而這個公式對無論短波和長波都適用！看似皆大歡喜的結果卻讓他尷尬不已，因為他也不知道他發明的新公式為什麼會管用。知其然，但不知其所以然。普朗克的第六感告訴他，要打開這個局面，就要拋棄傳統物理學的認知。最後他得到一個結論：
必須假定，能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。
等一下，能量不是連續的？那光也是一種能量的形式，它也是一份一份的？這不又回到“粒子說”了嗎？但當時的人們對麥克斯韋的電磁波理論理解已經深入骨髓，沒有意識到這個轉變。而普朗克將這個一份一份的基本單位命名為“量子”。1900年12月14日，量子的誕辰。
量子終於登上了歷史舞臺
普朗克是一個傳統的物理學家，在他看來，量子的假設並不是一個物理真實。但隨後而來的物理諸神：愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤、泡利、海森堡……他們將量子理論發展開來，最終成為現代物流學的基礎之一。
而在量子領域，這些物理學諸神也分為兩派，一派以玻爾為首，旗下有海森堡、泡利；而另外一派則以愛因斯坦為首，旗下有德布羅意、薛定諤。
其實愛因斯坦一開始是支持量子假設的，他甚至提出了組成光的能量最小的基本單位“光量子”，而光以量子的形式吸收能量，沒有連續性，不能累積。但隨後以玻爾為代表的量子力學發展的勢頭讓愛因斯坦產生了懷疑，他始終任務所有的物理理論是可以推導，是有因果關係的、可測量的。而玻爾的量子理論概率性、不確定性和互補性推翻了經典世界的因果關係和絕對客觀性。這讓愛因斯坦對量子理論開始懷疑，並最終站到了對立面。
上帝會擲骰子嗎？
“難道上帝會擲骰子嗎？”這句經典臺詞就來自愛因斯坦對玻爾量子理論的質疑。而物理學歷史前進，通過他與玻爾三次大論戰的失敗告訴我們，上帝不擲骰子，但量子理論就實實在在站在那裡，即是愛因斯坦也攔不住。
由於量子學複雜而又超過多數人的認知，本文就不再說明，只說最後的結論，玻爾很想把量子力學和愛因斯坦的相對論作為現代物理學的兩座基石。但愛因斯坦最後也沒接受這個現實。
至於那個最重要的，光到底是粒子組成的還是波動形成的，在量子理論已經做了說明，它在人們觀察它的時候就是一個個粒子，而不觀察的時候就會以波動的形式存在！
光到底是粒子還是波取決於人是否觀察它
四、寫在最後
人們在回憶著三次關於光的物理學大戰時候，感覺簡直像是在講述一個童話。物理學家們一個個都被洪流衝擊得站不住腳：節奏快得幾乎不給人喘息的機會，爆炸性的概念一再地被提出，每一個都足以改變整個科學的面貌。但是，每一個人都感到深深的驕傲和自豪，在理論物理的黃金年代，能夠扮演歷史舞臺上的那一個角色。
當今時代，量子理論又取得了新的成果，谷歌在10月份宣稱實現“量子霸權”，而中國在量子加密通訊領域也發射了“墨子號”衛星，而這一切的基礎就是每個時代物理學諸神們思維碰撞的結果。
但願諸神仍在迭代，思想仍在進步。
參考文獻：
1、上帝擲骰子嗎？量子物理實話：升級版 （作者：曹天元）
