是波还是粒子？
我们能看到一束束阳光照进窗台，看到灯光将夜晚照亮，但是却从来看不出光的模样，更摸不着它，那么光到底是什么呢？这个问题可是让许多科学家迷惑并争论了几个世纪。
16世纪的自然哲学家笛卡尔提出了两种假说：一种假说认为光是由一个个小微粒构成的；另一种假说认为光是一种叫做“以太”的介质传播的压力。到了17世纪中期，意大利数学家格里马第发现了光的衍射现象——在暗室中让一束光穿过小孔后，光偏离了直线传播，投射到屏上呈现出明暗相间的图案，这一现象让格里马第觉得光或许与水波相似，也是一种波。后来，这个观点得到了英国物理学家胡克的赞同，他在观察了肥皂泡上的彩色纹理后，认为光是以太的纵波（振动方向与传播方向平行的波）。但是著名物理学家牛顿在17世纪70年代提出了完全不同的观点。他认为光是从光源发出的许多粒子，这样就可以合理解释光的直线传播和反射等现象。但这却无法解释两束光交叉相遇后为什么不会阻碍彼此的传播等现象。
这些科学家各执己见，没有形成系统的理论来说服彼此，直到与他们同时代的物理学家惠更斯提出了较为完整的理论——光波动说。惠更斯也认为光是靠以太传播的纵波，而不是粒子，因为光总是沿着固定方向传播，而不像粒子那样会因为相互碰撞而改变方向。但牛顿并不赞同，他指出如果光与声波一样是一种波，那应该也会绕开障碍物，而不是在同一介质中坚持走直线。之后，牛顿在他的著作《光学》中，建立起了光的微粒学说，并成为了18世纪的主流光学理论。
但微粒学说依然无法全面解释光的一些特性，例如光的干涉现象（两列或更多的波在空间中重叠时形成新的波形）。1801年，物理学家托马斯·杨在他的双缝干涉实验中，让光束穿过两道狭窄的缝隙再打到屏上，结果显示出了黑白相间的条纹，这证明了光会像波一样发生干涉。但光是纵波的理论无法解释光的偏振现象（波的振动方向相对于传播方向是不对称的），这是横波（振动方向与波的传播方向垂直的波）所特有的性质，由此科学家推测出光应该是横波而非纵波。光的波动性被证实后，人们又开始寻找“以太”这种介质，但后来的科学家证明，以太并不存在。
1887年，德国物理学家赫兹发现，当他用频率足够高的光束照射到金属表面时，会有电子发射出来，这就是光电效应。1905年，爱因斯坦用光的粒子性解释了光电效应理论，他把构成光束的粒子叫做“光量子”（简称光子），每个光子都具有能量，频率越高的光子能量越高，这些能量能帮助原子周围的电子“挣脱”原子核的束缚，使它们得以逃逸出来。1921年，爱因斯坦因为成功解释“光电效应”理论获得了诺贝尔物理学奖。
种种现象说明，光既有波的性质也有粒子的性质，科学家们最终认同光具有“波粒二象性”。如今的科学家又发现，拥有波粒二象性的不仅是光，还有很多微观粒子比如电子、中子也兼具波动性和粒子性。电子显微镜就是利用电子的波动性来成像的。科学家甚至在宏观的大尺寸物体（如油滴）上也观察到了波动性，只是它们的质量太大，粒子性要远远强于波动性。所以事物的本质，有时候并不是“非黑即白”那么简单。
参考资料：
https://www.academickids.com/encyclopedia/index.php/Wave-particle_duality
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%A2%E7%B2%92%E4%BA%8C%E8%B1%A1%E6%80%A7
作者：Mirror
审稿：张轩中（科普作家，中国物理学会会员）
