光的故事

牛顿断定，光是微粒流。他有很好的理由。正如服从其普适运动方程的物体一样，光沿直线传播，除非它遇到某个物体，这时它可能会对该物体施加一个力。按牛顿的话说：“光线是不是由发光物质发出的很小物体呢？因为这种物体沿直线穿过均匀媒质而不偏折到阴影里，这正是光线的本质。”

其实，牛顿是矛盾的。他研究过光的我们现在称之为“干涉”的性质，这是一种唯有扩展波的特性可以解释的现象。然而，他强烈坚持偏好粒子说。他的理由是，波需要媒质来传播，而这种媒质会妨碍行星的运动，这是他的普适运动方程似乎要否定的性质。正如他所说的那样：

因此，要为行星和彗星的有规则而持久的运动铺平道路，或许除了某些很薄的水蒸气，或从地球、行星和彗星的大气以及上述极度稀薄的以太媒质中升起的臭气外，就必须从天空中扫清一切物质。用一种稠密流体来解释自然界中的现象，是没有什么用处的，不要它的话，行星和彗星的运动反倒容易解释得多……因此它的存在是得不到证明的，因而只应将它抛弃掉。而如果将它抛弃，那么光是在这样一种媒质中传播的挤压或运动的假说，也就和它一起被抛弃了。

其他科学家提出了光的波动理论，但牛顿的绝对权威意味着，他的“微粒说”——光是一连串的微粒——主导对光的本性的认识长达100多年。而牛顿的支持者实际上比牛顿本人更加笃信牛顿的微粒说，直到大约1800年，当托马斯·杨用另一种方法证明了光的波动性之后，这一局面才告终结。

杨是一个早熟的孩子，据说他两岁就能流利地诵读。他受的是医学教育，靠行医养家糊口，他还是一位杰出的象形文字翻译大师，但他的主要兴趣是物理学。在19世纪初，杨给出了光是一种波的有说服力的证明。

在一块经过发黑处理的玻璃板上，杨刻画了两条相隔很近的平行线。光线通过这两条狭缝后投影到墙上形成明暗交替的条纹，我们称之为“干涉条纹”。我们会看到，这种条纹表明光是一种扩展的波。

我们可以将“波”想象成一系列移动的峰和谷，或波峰和波谷。例如，这些波峰和波谷可以看成是水族馆水面起的涟漪。另一种描绘波的方式是鸟瞰，我们画一些线条来表示波峰。从飞机上看到的海洋里的波看起来就是这个样子。这两种方式显示的波如图4.1所示。

从一个小波源发出的波，譬如投入水里的鹅卵石产生的波，向各个方向传播。类似地，从一个小的发光体发出的光也向各个方向传播。同样道理，从一个小光源发出的光通过窄缝后将沿各个方向扩散，并在屏幕上均匀照亮整个屏幕。（图4.2中是从侧面表示狭缝。）

可以预料，从两条靠得很近的狭缝出射的光照在屏幕上的亮度是单狭缝出射光强的2倍。如果光是小的粒子流，即牛顿的微粒流，那么可以肯定会出现这种情况。但当托马斯·杨让光通过他的两条狭缝后，他看到的却是明暗相间的条纹。而且，最关键的是，明暗条纹之间的距离取决于狭缝间距。一束独立的粒子流（每个粒子通过一条单狭缝）无法解释这种行为。

干涉既是量子理论也是量子之谜的核心，在下面几个自然段里，我们更详细地予以解释。在物理学里，干涉被视为扩展波的行为的确凿示范。如果你只想浏览本书重点内容，完全可以跳过下面几段对干涉的解释，略读后面的“电磁力”一节，你仍将鉴赏到量子谜团。

这里我们先说说干涉是如何产生的：对于屏上中心位置（图4.2中的A点），从上面狭缝出射的光波与从下面狭缝出射的光波走过完全相等的距离。因此，如果从一条狭缝出射的波到达A点时是波峰，那么从其他狭缝出射的波到达A点时也是波峰。同样，从两条狭缝出射的波的波谷也在同一时间到达A点。从两条狭缝出射的全同光波到达A点时产生的亮度要比只有一条狭缝被打开时光波所产生的亮度要亮，所以屏的中央位置上一定是亮点。

但是，对于到达屏上中央位置上方某点（譬如图4.2中的B点），从下狭缝出射的光波要比从上狭缝出射的光波走过更远的距离。因此对于B点，下狭缝的波峰要比上狭缝的波峰到得晚。特别是，下狭缝波峰到达B点时如果正好遇上上狭缝的波谷，这样波峰和波谷便在B点互相抵消。因此在B点是两条狭缝出射的光波相减，产生的是暗点，即一束光与其他光重叠后可以产生暗点。

在屏幕更远的地方（如图4.2中的C点），将产生另一条亮带，因为在那个地方，从一条狭缝出射的波峰正好与来自其他狭缝的波峰再次同时到达。在屏幕上再往上走，随着两条狭缝出射的光波交替出现相互增强和相互抵消，便会交替出现亮带和暗带，形成干涉图样。“干涉”这个词实际上用得并不恰当。从两条狭缝出射的波不是相互干涉，只是互加互减，就像你向银行账户中存款和取钱。

这里我们假设了不同狭缝出射的波具有相同的频率，即它们的波峰之间有相同的距离，相同的波长。也就是说，我们假设了光是单色光。如果不是这样，不同颜色的光会在不同的地方产生亮条纹，形成一种模糊的干涉图样。

如果从几何上考虑，你可以看到，如果两条狭缝间距离越大，则干涉条纹之间的间距越小。这里的细节并不重要，重要的是要记住，条纹间距取决于狭缝间距。杨论证道，既然光在屏幕上每个点的量取决于缝间距，故屏上每个点均接收到来自两条狭缝的光。

如果光是微粒流，就不会出现干涉条纹。从一条狭缝或其他狭缝出射的小子弹彼此间是相互独立的，不能够相互抵消从而产生出有赖于缝间距的条纹。

杨的论证就真的无懈可击吗？未必。在杨提出这一解释的当时，这种解释即受到激烈争辩。杨的英国同行坚定地站在牛顿的微粒说立场上。而光的波动说则得到法国科学家的青睐，而且部分出于这个原因从而为英国人所拒绝。然而，进一步的实验很快就压倒了反对意见，光是一种波得到了公认。

我们从光波的角度描述了干涉。其实这种讨论适用于任何类型的波。其关键在于：干涉展现了一个扩展波的实体。干涉现象无法用致密的独立粒子流来解释。 50+CmFLp6pf5e/PAdAcnWbokkmIssGRnzaVKENuhH8833ZyisgnLKthxnMOvyS+o