光的波粒二象性研究论文

什么是粒子？什么是波？粒子性和波动性的具体内容是什么?这些问题要先搞清楚。要不然说了半天我们其实各自在说各自所谓的粒子、波，那样难免误会。你说到了，光的粒子性表现为光子，可是你这里“光子”的具体含义又是什么呢？它有什么性质？光子的具体性质才是波粒二象性之所在。波指的是具体的物质存在形式，波动性指的是波所表现出来的特有的性质。这些特性包括干涉、衍射、偏振、周期性等。电磁波既然称为波，当然也具有这些性质。粒子最明显的特征就是颗粒性，或者说是整体性。对于微观粒子来说，这种整体性指的是在物理过程中它所表现出来的不可分割性。这种不肯分割性指的是一旦涉及便是指整个粒子，而不存在粒子的“某一部分”这个说法。那么电磁波的波粒二象性就是电磁波同时具有波动性和粒子性。说得具体一点，就是电磁波既具有干涉、衍射、周期性等波动特性，也具有颗粒性或者说整体性。实际上电磁波在传播过程中往往表现波动性，而在与物质相互作用的时候往往表现粒子性。比如说光子总是整个地被吸收和整个地被辐射，不会有“半个光子”或者“光子的某一部分”这一说法。光子可以分析，但不可分割。这才是它的粒子性之所在。（这个一般量子力学教材中都有说明，具体比如曾谨言的《量子力学》卷一一开始就有详细的说明。）要用实验来检测这个说法，自然要从这些波动性和粒子性的特征上入手。电磁波的波动性很明显，因为我们知道它具有频率、波长、周期这些波所具有的物理量，还有干涉衍射等等特征。至于粒子性，你在问题中特别提到了微波的粒子性，我想给出一种证明所有电磁波都具有粒子性的简单过程。首先我要说明一下电磁波的某一个波段的粒子性，然后我再说明其它波段的电磁波同样具有粒子性。先举两个特例1.光电效应。爱因斯坦首先用光量子理论对光电效应现象作了完美的解释，并因此获得诺贝尔奖。2.康普顿散射实验。这个实验进一步证实了光量子的存在。现在我们至少知道了电磁波的某一个波段比如X射线（康普顿散射实验中所用的电磁波段）是具有粒子性的。然后我向你证明任何其它波段的电磁波都具有粒子性。物理实在对于任何观察者而言都是相同的。对于一个客观事件，你站着看跟坐着看，或者跑着看，它都是同一个事件。客观的物理规律不会因为观察者的运动状态而发生变化。我在实验室里用X射线做康普顿散射实验，同时你顺着入射光方向相对于我做高速运动，只要恰当地选择你我之间的相对速度，由于多普勒效应，入射光在你的参考系中看到的将不是X射线，而是微波。这个时候你看到的就是微波的康普顿散射过程。在我的参考系中这个过程表现了我选择的这束光有粒子性，那么同样的这个过程在你看来就应该能够得到跟我同样的结论——我所选择的这束光具有粒子性。因为我们看到的是同一件事。不断地改变你跟我之间的相对速度重复以上过程，尽管我总是用同一频率的X射线做散射实验，但调节我们之间的相对速度，在你的参考系中可以看到任何波段电磁波的散射实验过程。这就证明了任何波段的电磁波都具有粒子性。其实类似的过程非常常见。宇宙的背景辐射正好是微波波段，整个空间中充满了均匀各向同性的微波辐射。当遥远的天体所发出的高能粒子流以接近光速的速度向我们运动的时候，由于多普勒效应，在这些粒子看来跟它们迎面的全是高能伽马射线而不是微波。跟这些相反而行的高能伽马射线不断碰撞，粒子流的强度会大大衰减。这就是越遥远的宇宙线到达我们这里时强度变得越弱的原因之一（当然也包括星际尘埃造成的强度衰减等等其它原因）。反过来，我如果做电磁波的干涉、衍射实验，你调节我们之间的相对运动速度，你就可以在另一个参考系中看到伽马射线的干涉、衍射现象。在以上说明中我是以一个具有肯定结论的单个波段的实验过程加上多普勒效应来说明所有波段电磁波都具有波粒二象性。单波段的那个实验是有人做过的，我们有条件也可以重复做的，这个单波段的结论当是可靠的。多普勒效应也是可以用实验来验证的。所以这个证明过程在逻辑上是自洽的，同时也是可以通过实验检验的。跟直接用微波做粒子性实验的区别是，这样的论证可以得出较普遍的结论，而不必对每个电磁波段都去设计直接的实验。在理论上，普朗克——爱因斯坦关系式或者德布罗意关系式很好地说明了波粒二象性的完美统一。E=hvp=h/λ这两个式子的左边是能量E与动量p，是通常用来描述粒子的物理量，而右边是频率v和波长λ，是用来描述波的物理量。这两个等式说明了微观粒子的粒子性和波动性具有深刻的内在联系。而且这里的频率和波长是任意的，并没有数量上的限制，这也从理论上说明了这种波粒二象性对于微观粒子是普遍的，而不是某种特殊频率的光子才具有的。 补充说明：楼主提的问题很有意思，很有基础性，看得出来你也进行了颇多的思考。在大学物理系中，大概在三年级前后有一门课叫《电动力学》，其中有一章是狭义相对论。这一章里有关于多普勒效应的详细推导。一束光在不同的参考系中看来确实是不同的，A系看可能是微波，B系完全可以成为可见光甚至伽马射线。我们看到一束微波，但不能说它在任何情况下都是微波，因为它的本质仅仅是电磁波而不是某一波长的电磁波。我们说它是微波是因为在我们的参考系中它的波长正好处在微波波段。但是电磁波的波长和频率是因参考系而变的，在不同的参考系中它具有不同的波长和频率。那么我们换一个参考系去看，它在那个参考系中当然就可以是其它波段的电磁波。波长和频率可以因参考系而变，但是物理规律不应该发生变化。所以我们可以反过来看，既然我们的实验室参考系中紫外光可以发生光电效应，那么在另一个参考系它表现为微波的时候，光电效应这个过程应该也是实在的。只是那个时候实验材料会有一个很大的速度。这种参考系变换在物理学中是很常见的。我说要强调的是，你所指的微波，其实仅仅在我们的参考系中成立，换到别的参考系它就不是微波了。对于以上证明，楼主理解的困难主要在于不熟悉两个概念。一是多普勒效应，二是相对性原理。楼主在总结中也说到了，按照我的逻辑最后得出微波跟可见光一样也有光电效应。我想说，事实就是这样的！既然楼主不太能理解参考系变换的证明过程，那我们就换一套说法。如果楼主以后有机会学习相对论，那时自然会一目了然。光电效应是在光照下某种材料中束缚态电子被电离而成为自由电子的现象。不同的材料有不同的临界频率，这个决定于原子中电子所在的束缚态距离电离的能级差。当光子能量大于这个能级差时就能发生光电效应，如果光子能量小于这个能级差，光电效应就不能发生。但是我们可以考虑换一种材料来实现。微波光子的能量hv，只要找到一种材料，其原子中有电子处于电离态附近，即电子距电离的能极差小于hv，这样的材料在微波的辐射下就可以使电子电离。我说的只是一个思想，原则上是可以实现的，但实际操作上，这样的材料存不存在，是否可以制备，我不太清楚。所以：1）所有电磁波都具有波粒二象性2）电磁波的粒子性表现在与物质的相互作用过程中，譬如碰撞、吸收、散射等。3）原则上可以根据光电效应思路去找一种临界频率较低的材料来做光电效应实验。当然也可以考虑其他实验。比如可以借助天文观测来证实，高能天体物理理论中有一种叫康普顿辐射的过程，有些模型提出高能相对论电子与微波背景辐射的光子发生康普顿散射，从而变成伽马光子。这种模型是可以详细计算的，并可以将结论通过与天文观测相比较来判断其真伪。当然至今为止，存在康普顿辐射这个过程在天体物理中是被广泛认同的。天上的东西毕竟离我们太远，也太复杂。所以还是建议尽可能地在实验室里寻求实验证明。4）利用光电效应的难点：微波光子能量太小，不知是否可以找到合适的材料。这是我所能想到的。因本人是理论物理专业，对具体的实验实施会存在什么其他的困难确实知之甚少。这点还期望各位高见。

所谓粒子，主要是指它具有集中的、不可分割的特性。微观客体和其他物质相互作用时，取粒子的方式，而不是波动方式，我们接收到的是一颗一颗的粒子，接收不到分数颗粒子。其次，提到波就意味着场的概念，所谓波不过是周期性地传播运动的场而已。场是弥散的。微观客体的传播取波动的方式，而不像经典粒子一样有一条轨道。波动性和粒子性是在不同实验条件下得到的概念。-----摘自 柯善哲《量子力学》 科学出版社

一、德布罗意的科学地位法国著名理论物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学的奠基人之一。二、德布罗意的科学贡献德布罗意之前，人们对自然界的认识，只局限于两种基本的物质类型：实物和场。前者由原子、电子等粒子构成，光则属于后者。但是，许多实验结果之间出现了难以解释的矛盾。物理学家们相信，这些表面上的矛盾，势必有其深刻的根源。1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，人们对于光子建立起来的两个关系式 会不会也适用于实物粒子。如果成立的话，实物粒子也同样具有波动性。为了证实这一设想，1923年，德布罗意又提出了作电子衍射实验的设想。1924年，又提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。1927年，戴维孙和革末用实验证实了电子具有波动性，不久，.汤姆孙与戴维孙完成了电子在晶体上的衍射实验。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。德布罗意的设想最终都得到了完全的证实。这些实物所具有的波动称为德布罗意波，即物质波。三、德布罗意的科学荣誉由于德布罗意的杰出贡献，他获得了很多的荣誉。1929年获法国科学院享利。彭加勒奖章，同年又获诺贝尔物理学奖。1932年，获摩纳哥阿尔伯特一世奖，1952年联合国教科文组织授予他一级卡琳加奖，1956年获法国家科学研究中心的金质奖章。德布罗意于1933年当选为法国科学院院士，1942年以后任数学科学常务秘书。他还是华沙大学、雅典大学等六所著名大学的荣誉博士，是欧、美、印度等18个科学院院士。四、德布罗意的生平1892年8月15日出生于下塞纳，1910年获巴黎大学文学学士学位，1913年又获理学士学位，1924年获巴黎大学博士学位，在博士论文中首次提出了"物质波"概念。1929年获诺贝尔物理学奖。1932年任巴黎大学理论物理学教授，1933年被选为法国科学院院士。1987年逝世。�五、德布罗意的科学生涯德布罗意1892年8月15日出生于法国塞纳河畔的蒂厄浦，是法国一贵族家庭的次子。德布罗意家族自17世纪以来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名。祖父J。V。A德布罗意（1821～1901）是法国著名政治家和国务活动家，1871年当选为法国国民议会下院议员，同年担任法国驻英国大使，后来还担任过法国总理和外交部长等职务。德布罗意从18岁开始在巴黎大学学习理论物理，但是因为打算沿其家族传统，以后从事外交活动，他也学习历史，并且于1909年获得历史学位。由于他哥哥（M。德布罗意）是一位实验物理学家，拥有设备精良的私人实验室，从事物理实验研究。因而德布罗意在学习历史的二象性。人类对自然的认识由浅入深、由片面到全面、由现象到本质不断深化。对光本性的认识同时，受到他哥哥的影响，参与一些物理研究工作。从他哥哥那里德布罗意了解到普朗克和爱因斯坦关于量子方面的工作，这些引起了他对物理学的极大兴趣。经过一翻思想斗争之后，德布罗意终于放弃了已决定的研究法国历史的计划，选择了物理学的研究道路，并且希望通过物理学研究获得博士学位。第一次世界大战期间，德布罗意在军队服役，被分配到无线电台工作，中断了他的理论物理研究。1919年，德布罗意重新回到他哥哥的实验室研究X射线，在这里，他不仅获得了许多原子结构的知识，而且接触到X射线时而象波、时而象粒子的奇特性质。德布罗意曾经与其兄就X射线的性质进行了长时间的讨论，他对其兄及其同事们的实验工作发生了浓厚的兴趣。为了对这些现象做出理论解释，1920年，德布罗意重新开始研究理论物理，特别是关于量子问题，他的研究终于取得了可喜成果。1923年9月和10月，德布罗意发表了三篇关于物质波的论文，创立了物质波理论。之后，他投人博士论文的写作，1924年11月他以题为《量子理论的研究》的论文通过博士论文答辩，获得博士学位。在这篇论文中，包括了德布罗意近两年取得的一系列重要研究成果，全面论述了物质波理论及其应用。德布罗意获得博士学位后，继续留在巴黎大学，他又发表了有关波动力学的有创造性的研究成果，同时担任教学任务。德布罗意在神也是沿着这个认识规律发展的。在认识发展中，物质生产水平、实验条件起了决定性的作用，同时促进人类认识水平的不断提高。学院担任了两年义务讲座后，1928年被聘为新建立的巴黎大学享利·彭加勒学院理论物理教授，他担任这一职务从事教学工作一直到1962年退休。1945年以后，他还担任法国原子能委员会顾问。1930年到1950年间，德布罗意的研究工作主要是波动力学的推广，他的研究取得了许多成果，发表了大量评论和论文。1951年以后的一段时间，德布罗意研究粒子和波之间的关系，目的是通过研究用经典的空间和时间概念对波动力学作出因果解释。此时重新研究他于1927年提出的引导波理论，但不久他就放弃这方面的工作，回到了以前的研究领域，探索微观现象产生的原因和决定论的科学哲学观点，用波动力学的观点探讨热力学和分子生物学。德布罗意一生的研究成果颇丰，他的著作就达25本之多。由于德布罗意的杰出贡献，他获得了很多的荣誉。1929年获法国科学院享利。彭加勒奖章，同年又获诺贝尔物理学奖。1932年，获摩纳哥阿尔伯特一世奖，1952年联合国教科文组织授予他一级卡琳加奖，1956年获法国家科学研究中心的金质奖章。德布罗意于1933年当选为法国科学院院士，1942年以后任数学科学常务秘书。他还是华沙大学、雅典大学等六所著名大学的荣誉博士，是欧、美、印度等18个科学院院士。六、物质波理论的形成德布罗意开始研究物理学时，适逢现代物理学发生深刻革命的时期。1900年，普朗克研究黑体辐射时假定谐振子取分立的能量，提出量子的概念，由此出发，他推导出能够描述黑体辐射规律的普朗克黑体辐射公式。但是，人们并没有认识能量子的重要性，只把能量子看作仅仅是在支配物质和辐射相互作用过程中是合适的，频率为V的物质振子仅仅以hV的倍数发射或吸收能量。直到1905年，量子概念才发生了重要发展。1905年，爱因斯坦发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，文中通过对黑体辐射的研究和论证，得到并提出了光量子的概念，并用它成功地解释了光电效应。这一工作的意义之一在于，光量子的概念是在分析和研究黑体辐射基础上得到的，表明量子概念具有比较普遍的意义。爱因斯坦认为：密度小的单色辐射，从其热现象方面的行为看，仿佛是由一些独立的能量所组成。本世纪初期，人们通过对X射线的研究认识到，X射线具有时而象波、时而象粒子的奇特性质。1913年，玻尔提出原子中的电子运动的量子化条件，原子中的电子只有可能进行某些运动，成功地解释了氢原子光谱。玻尔的量子化条件没有理论基础，是人为规定的。1919－1922年，法国物理学家布里渊提出了一个解释玻尔基于化条件的理论。布里渊把电子和波作为一个整体进行研究，设想在原子核周围存在着一层以太，电子在其中运动掀起波，这些波相互干涉在原子核周围形成驻波。这些研究成果，尤其是布里渊的理论对德布罗意提出物质被思想产生巨大影响。德布罗意重新开始研究理论物理，物理学面临着的主要困难是：对于光需要有微粒说和波动说两种理论；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，这些都是当时人们无法理解的事实。德布罗意首先考察光量子理论和玻尔的量子化条件。确定光微粒能量的表达式是W＝hv，这个公式中包含着频率v，而纯粹的粒子理论不包含频率的因素；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而物理学中涉及到整数的只是干涉现象和本征振动现象。这些结果使德布罗意想到，对于光需要同时引进粒子的概念和周期的概念；对于电子不能简单地用微粒来描述电子本身，还必须赋予它们周期的概念。于是，德布罗意形成了指导他进行研究的全部概念：在所有情况下，都必须假设微粒伴随着波而存在，他的首要目的就是建立微粒的运动和缔合波的传播之间的对应关系。1923年夏末，德布罗意已开始形成他的相波（后来他称为相位波）概念，9月10日，他发表了关于物质波理论的第一篇论文——《波和量子》，文中提出的思想可以被看作是波动力学理论的开端。两个星期后，德布罗意又发表了《光量子、衍射和干涉》的论文，明确提出相干波的概念。文中明确指出：要描述一个动点的运动，观察者必须将这一运动与一个非物质的、在同一方向上传播的正弦波联系起来。在观察者看来，这一波的频率等于上述动点的总能量除以普朗克常量h。同年10月8日，德布罗意发表关于物质波理论的第三篇论文《量子、气体运动理论以及费马原理》。文中阐述了波与粒子的对应关系，他假定与任何粒子相联系的相波，在空间任何点与粒子同相位。相波的频率与速度由粒子的能量和速度所决定。德布罗意的这三篇论文是物质波理论奠基工作的开端。继这三篇论文之后，德布罗意着手撰写他的博士论文《量子理论的研究》。1924年11月，德布罗意通过论文答辩，获博士学位。他的博士论文包括了近两年研究的一些成果，比较系统地论述了物质波理论，得到物质波的一些重要结果。德布罗意认为，任何运动着的物体都伴随着一种波动，而且不可能将物体的运动和波的传播分开，这种波称为相位波。存在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关系的必然结果。德布罗意考虑静止质量为外、相对于静止观察者的速度为的粒子，他假设粒子是周期性内在现象的活动中心，它的频率 ， 是普朗克常数， 是粒子的内在能量。以狭义相对论原理和严格的量子关系式为基础，L。德布罗意通过严格论征得到：相位波的波长是，是普朗克常数， 是相对论动量，这就是著名的德布罗意波长与动量的关系。此外，德布罗意把相位波的相速度 和群速度（能量传递的速度）联系起来，证明了波的群速度等于粒子速度，确定了群速度与粒子速度的等同性。他的这些研究成果形成了比较完整的物质波理论。七、物质波理论的实验验证德布罗意撰写论文时，他的哥哥（M.德布罗意）建议他的论文应包括实验部分，可是他没有采纳这个建议。他的物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来的，这就使得答辩委员会对物质波的真实性存在疑虑，答辩委员会主席佩兰就提出了物质波如何用实验来证实的问题。对佩兰的提问，德布罗意回答：用晶体对电子的衍射实验验证物质波的存在是可能的。他的这个思想是早已形成的，他曾在1923年9月24日《光量子、衍射和干涉》一文中指出：从很小的孔穿过的电子束，可能产生衍射现象，这也许会成为在实验上验证物质具有波粒二象性的方法。他还曾向他哥哥的同事道维里叶提出做电子的衍射实验，后者因忙于电视实验而将其搁置。物理学的发展需要理论的和实验的两只脚向前迈进，现在理论这只脚已经先向前迈进了一步，这就给实验提出了研究课题。物质波理论提出后，如何从实验上证实物质波存在就成了人们关注的一个热点。 按照德布罗意理论，经过几千伏加速电压的电子束，其波长数量级为10-10米，这与X射线的波长是同一个数量级，因而可以用晶体对电子的衍射实验验证物质波。德布罗意的理论一传到美国，就在纽约开始了显示电子衍射的实验。尽管这个实验开始并不是为验证波动理论而做的，但是到了1926年，这项工作的目的已经转变为验证物质波理论。1927年初，戴维森和革末通过实验发现，在镍晶体对电子的衍射实验中，有19个事例可以用来验证波长和动量之间的关系，而且每次都在测量精确度范围内证明了德布罗意公式的正确性。戴维森实验所用电子束的电子能量很低，仅有50－600电子伏特。同年.汤姆逊用较高能量的电子做了晶体对电子束衍射的实验，他让电子能量为1000－8000电子伏特的电子束垂直射入赛玛哈、金、铂或铝等薄膜上，观测产生的衍射图样。实验观测和由德布罗意理论得到的结果非常一致，这充分证明了电子具有波动性，再一次用无可辨驳的事实向人们展示了德布罗意理论是正确的。以后，人们通过实验又观察到原子、分子……等微观粒子都具有波动性。实验证明了物质具有波粒二象性，不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的，而且为物质波理论奠定了坚实基础。其英文名称为：De Broglie Waves

从光的波粒二象性看光的质能二重性 我前些时日陆续写了光是什么（光的本质）之一、之二、之三，现在还想再写点有关光的问题。前面写过的简而言之谈了这样几点：光是电磁波的一种；光的波粒二象性问题；光速测量和光速不变问题；光的传播问题；光子的静止质量问题；做为玻色子之一的光子在电磁力中的媒介作用等问题。。。。。。现在我想根据光的一些性质再发挥一下自己的想象。再提出一些新的看法和新的问题。我想无论认识和想象的正确与否，都无关大碍，其目的只是想起到一点抛砖引玉的作用，供网友们、供物理学爱好者们进一步探讨和讨论。也希望能得到有关方面专家的指导。使人们对光的本质能有更进一步的认识。并进而带动其它学科的深入发展。 光的波粒二象性（有些学者和物理学爱好者把光的波粒二象性，说成或写为波粒二相性、波粒二向性或波粒二像性不一。）是人们经过三百多年对光的探讨和争论在二十世纪初才得出的比较一致的结论。严格说来，直止现在人们对此种说法认识也不完全一致。比如：目前有的学者把光的本质表述为：微粒才是运动的主体,，波只是运动的过程。无论怎么说光的波动性和光的粒子性目前用不同的试验方法都得到了一些认证。 这一问题为什么争论如此之久？为什么这样难以统一？实际上这一方面说明了人类当前对量子世界的观测、试验等手段只能达到这样一个水准。另一方面也看出了光的本质是很难一下子就认识清楚的。 光这种东西确实很特殊，人类虽然是最早，可以说是第一面就接触到光，但它随时以各种面目进入人们的视野并给人们以不同的感受和启示。在量子电动力学里把光子认定为：是传递电磁作用力的媒介子。到目前为止，尚没有发现自由状态下传递强相互作用力的8种胶子，更没有发现传递引力的引力子，有的学者指出传递弱相互作用的W+、W-粒子相互碰撞也会转化成光子。甚至还有的学者论述到：强子相撞也会转化为光子。果真如此的话，那么，光子会不会就是传递四种作用力的最基本的媒介子呢?本篇先不进一步探讨这个问题，还是先在光的波粒二象性这个问题上作点文章。 我认为：对光的认识只停留在光的波粒二象性这个层面上是不够的。光的波粒二象性的这种现象说明了什么？它的实质又是什么呢？它应该给我们带来怎样的启示呢？我认为光的波粒二象性这种现象，实质说明了光具有质能二重性。即：光既是物质又是能量。 光是能量，这一点是肯定的，几乎被所有的物理学家和物理学爱好者所共认。光属于不属于物质却众说纷纭，认为光不属于物质者，其主要理由是光的静止质量为零，我认为所谓光的静止质量，目前还是理论上的概念和数学上的表述，实际上光一投胎落地，也就是光一但以光的形式出现，它就一直以光速前进，从没有静止过，直止消亡。据我所知，到目前为止，科学家还没有扑捉住单一的、静止的光子。何况现在有一种学说认为光有静止质量，并测算出早期宇宙光子的质量大约为10的负11次方克。（我认为此点值得商榷）。另据华中科技大学教授罗俊及其同事对光的质量的试验结果认为：光子的质量应小于10的负48次方千克，或者说最多只是一个电子质量的1/1024。既是说：光子的质量虽然极小，但是有质量。我认为：即使光的静止质量为零，但光在运动时，其光子照射在物体表面上是会产生光压的，是有动量的。而动量就是光的质量乘上光速。另外根据爱因斯坦的质能转换公式E=M*C的平方也可知：E为光的能量、C为光速、M就是光的质量，不同颜色的光，有不同的波长和频率，其不同颜色的光的能量不同，其质量也就不同。从公式中看出，如果光没有了质量，也就没有了能量。 其实，从光的波粒二象性也可以直接地认定为：光的粒子性就表明了光的物质属性；光的波动性又表明了光是能量。所以，我们完全有理由把光的波粒二象性进一步认为光具有质能二重性。 量子电动力学指出光子是传递电磁作用力的媒介子。如果能认定光的质能二重性的话，进一步还可以认为：光子不仅仅是传递电磁作用的媒介玻色子，它也应该是物质和能量之间的中介。 当前有人提出：物质就是能量，或者说能量就是物质。这种说法我认为还是不妥的，质能在一定的条件下可以转换，但不能把能量直接就说成是物质，起码当前这不是规范的表述。比如：人类的思维活动，我们只能说它是能量的一种表现形式，绝对不能把精神也说成是物质。 好啦，如果能认定光的质能二重性，能把光子既视为物质也视为能量，把光就可以看成为物质与能量的中介。这就会由此打开一些质能转换过程的新思路和研究质能有关问题的新方法。比如：物质与能量的转换究竟是怎么完成的？质能转换过程需要中介吗？光子在物质与能量的转换过程中究竟扮演了什么角色？植物的“光合作用”使光能、热能最终转化成了植物体；人体这个人的精神载体，又是怎么消耗体能使其一部分转化为思维活动的呢？光子在人类的思维活动中究竟起了什么作用？在人类的精神世界里究竟起了什么作用？人体的经络与光子有关系吗?经络会不会就是人体的“光缆”呢？在人体内部的信息传递中光子又起了什么作用？人体内部信息传递的速度是多少，与光速有什么关系呢？人类的思维速度与光速有什么联系吗？。。。。。。 能量的各种运动形式和形态是不一样的，但也都有一定内在的联系。人类的思维活动、人们的精神世界可能是最难以认识的，最难以用数学形式表述、最难以用实验验证的。我想：进一步认识光的本质，从研究光子入手，因光子目前可以有数学形式的表述，通过光的质能二重性和质能转换的已知理论，对人类思维活动和精神世界的认识就有进一步达到更科学的地步。以对光子的研究作为对精神世界和思维活动研究的切入点可能是一条可行的甚至于是最捷径的道路。通过对光的本质的进一步认识，对光学、对量子电动力学、量子色动力学、对宇宙学和对超弦理论等都会有新的启示。

笛卡儿提出的两点假说在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题，笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。格里马第发现了光的衍射现象十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。胡克提出了“光是以太的一种纵向波”不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论1672年，伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。惠更斯提出了波动学说比较完整的理论波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。新的波动学说牢固的建立起来1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。 就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。基于各类实验，在《光学》一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。托马斯．杨提出了光的干涉的概念和光的干涉定律十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。光的偏振现象和偏振定律的发现1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈。菲涅耳与阿拉戈建立了光波的横向传播理论1817年，巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文。土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争。在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好相反。后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说。1819年底，在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。 1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。1921年，爱因斯坦因为光的波粒二象性这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。争论结束在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。即：光既是一种波也是一种粒子！光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。