摘要：日夜更替是地球上最常见的现象，所有的动物和植物都能感知日夜更替。植物在白天通过光合作用合成葡萄糖，放出氧气；夜晚会通过呼吸作用放出二氧化碳。大部分动物白天活动夜晚睡觉，也有一部分动物是白天睡觉晚上活动。它们根据日夜更替来安排自己的活动，并不会思考为什么有日夜更

日夜更替是地球上最常见的现象，所有的动物和植物都能感知日夜更替。植物在白天通过光合作用合成葡萄糖，放出氧气；夜晚会通过呼吸作用放出二氧化碳。大部分动物白天活动夜晚睡觉，也有一部分动物是白天睡觉晚上活动。它们根据日夜更替来安排自己的活动，并不会思考为什么有日夜更替。

只有人类才会思考为什么有白天和黑夜？造成白天和黑夜区别的光是什么这些问题。人类最直观的认识是日夜更替与太阳有关，在中国和古埃及的象形文字中，日都与光密切相关。

在有了文字记录之后，人类对光是什么的思考才得以流传。中国的老子认为道是世界一切的根源，五行学说认为宇宙万物是由金、木、水、火、土五种基本元素组成；巧合的是古希腊也有一种学说是元素说，他们认为世界的物质是由水、火、气、土四种元素组成。光与火密切相关，古希腊的哲学家赫拉克利特、恩培多克勒斯等认为光是火元素的一种表现形式。

古希腊还有一种影响比较大的学说是原子说，由德谟克里特和列奥基波斯提出，原子论认为所有的物质都由原子组成，这种学说对后来们认识光和物质的组成影响最大。

不过这些假说都是纯思辨式的假说，换句话说，怎么说都行，只要能够自圆其说。人类对光的认识走上正轨是通过观察、总结、提出假说和实验验证的手段开始的。在这里就不得不提一位被大多数人忽视的阿拉伯学者——阿勒·哈增，他提出通过实验而不是通过古希腊哲学家们常用的思辨来检验假说，他通过实验证明了入射角和反射角在同一个平面，提出了人的视觉模型。阿勒·哈增被认为是实验科学的开创者和现代光学之父。

阿勒·哈增

《墨经》中光的直线传播、小孔成像等记录

胡克是最早明确提出光是一种波的科学家，他在他的著作《显微术》中将光定义为由光源发出的极快且微小的振动产生的脉冲序列，通过类比声波干涉的方式解释了油膜在日光照射下出现彩色图案的原因。惠更斯在胡克的基础上进一步发展了光的波动理论，提出光以球面波传播的过程中，球面波上每一点都可以看成是一个次级球面波的波源，这就是光学中著名的惠更斯原理。

牛顿《光学》书中用光粒子说解释牛顿环的示意图

光粒子说起源于古希腊的原子说，牛顿利用光粒子说解释了光的直线传播、反射、折射、色散和牛顿环现象。是的，牛顿用粒子说也能解释牛顿环，所以说牛人之所以牛确实是有原因的。补充一句，牛顿环虽然以牛顿名字命名，但并不是牛顿最先发现的，波义耳和胡克首先发现了牛顿环，这不是我瞎说的，波恩和沃尔夫的《光学原理》一书中明确说了这个结论。

《光学原理》中关于牛顿环起源的说法

由于牛顿在物理学界无人能及的地位，光粒子说一直到19世纪中期都占据主流地位。第一次光波动说和粒子说的战争以光粒子说取胜结束。

光波动说重新走上历史舞台要从托马斯·杨的双缝干涉实验说起，通过类比水波和声波干涉，杨利用太阳光完成了双缝干涉实验，观测到了彩色的干涉条纹。当时牛顿用光粒子说解释牛顿环就已经很牵强了，杨的双缝实验是一个典型的干涉现象，没有办法用光粒子说来解释光的双缝干涉实验。光波动说吹响了反击的号角，光波动说和光粒子说的第二次战争开启。

面对这种情况，当时人数众多的光粒子说支持者采取了“不讨论、不发表、不回应”的三不政策，除了有一位光粒子说的支持者“好心”建议杨在冬天没有太阳的时候好好学习牛顿的光学这本书，等到夏天有太阳的时候再重新开展实验，大多数人都忽视他的研究，以至于杨不得不自己匿名在报纸上发表文章评论自己的实验，希望引起大家关注自己的实验和干涉理论。

Brougham匿名发表的批评杨的文章截图

托马斯·杨的光干涉理论最早在法国物理学界得到了承认。杨的理论在法国得到认可也是一个非常巧合的事情，当时法国物理学界依然是光粒子说占据主流地位，拉普拉斯、泊松、毕奥等耳熟能详的名字都是光粒子说的支持者。为了进一步发展光粒子说，法国物理学界在1817年专门成立了一个委员会来举办一个竞赛，用于奖励谁能用光粒子说精确计算光的衍射。1819年，尽管该竞赛评奖委员会的五位成员中有四位是光粒子说支持者，最终这个奖项还是颁发给了采用光波动说的菲涅尔。

值得一提的是：菲涅尔在完成他的光波动理论时，并不知道托马斯·杨的干涉理论。在菲涅尔得知自己引以为傲的干涉理论早在十几年前就被杨提出来后，有点失望的菲涅尔依然写信给杨，表达了自己为找到杨这样一位光波动理论的盟友感到高兴，至此，两位光波动理论的创立者站在了同一条战线上，杨也不再是独自一人战斗。

菲涅尔最初不知道杨的干涉理论

真正回答光是什么这个问题的科学家并不是研究光的，而是研究电场和磁场的。19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在前人工作基础上提出了麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在。在他推导电磁波的波动方程时，发现电磁波的传播速度和当时人类测量到的光速相近，于是大胆预言光是一种电磁波。德国物理学家赫兹利用实验证明了电磁波的存在，传输电磁波不需要任何介质，从实验上消除了对光以太的需求。

到目前为止对光是什么似乎有了一个让所有人都满意的答案：光是一种电磁波，以麦克斯韦方程组为基础的波动光学理论可以解释光的直线传播、干涉、衍射、散射、成像等所有相关的现象。著名的物理学家Born和Wolf完成的《光学原理》一书几乎包括了所有相关的内容，是经典光学中最著名的教材，咱们国家著名的光学专家母国光院士在这本书的中译本的序言中称之为“光学圣经”，由此可见这本书在光学界的地位。

第二次光波动说和粒子说的战争以光波动说取胜结束。

如果事情到了这里结束也挺好的，但赫兹在验证电磁波存在的同时，也发现了一个光波动理论无法解释的现象——光电效应。所谓光电效应就是光照射到某些金属表面时，金属表面会释放出电子的现象。光粒子说开启了对光波动说的反击，光波动说和光粒子说的第三次战争正式打响。

爱因斯坦通过假设光是一种粒子，成功解释了光电效应并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖，光粒子说好像又重新回到了历史舞台，不过此时的光粒子说和最初光粒子说完全不一样。现代光粒子说中的粒子是量子理论中的粒子，不仅具有粒子性，也具有波动性。光是由具有波粒二象性的光子组成。

第三次光波动说和粒子说的战争以光波动说和光粒子说平分秋色结束。

人类对光是什么这个问题现在能够给出的答案是：光是具有波粒二象性的光子组成。这个答案并不是最终的答案，因为波粒二象性是利用宏观世界的相互矛盾的两个概念来解释微观世界的物理现象，人们需要花费大量的时间和精力来建立物理图像。就像当时人类花费大量时间和精力来建立光以太的物理图像一样，最终有可能证明人类根本不需要波粒二象性这样的概念。当然，光到底是什么这个问题需要我们每个人的努力，只要我们坚持科学的态度和坚持不懈的探索精神，这些不得不走的“弯路”最终都会让我们离目的地越来越近。

最后以爱因斯坦在1951年写给他的朋友信中的一段话作为本文的结尾：“这五十年来，我一直在有意识地思考，但却没有找到‘什么是光量子’这个问题的答案。 如今每个汤姆、迪克和哈里都认为自己知道这个问题的答案，但他错了（All these fifty years of conscious brooding have brought me no nearer to the answer to the question, ‘What are light quanta?’ Nowadays every Tom, Dick and Harry thinks he knows it, but he is mistaken。

创作不易，感谢各位朋友的支持，我是刘博谈，希望跟大家一起探索神奇的量子光学世界。

来源：刘博谈