十二光之迷
兄：我欣賞你永不言敗的勇氣。今天的光學理論無非是“波粒二象性”，這種理論本身已經自相矛盾。哲學家自然不會同意，普通人也覺得結論混亂不清。大概隻有物理學家孤芳自賞罷了。
曆史能證明理論的正確嗎？地心說也有悠久的曆史。若光學史對你有幫助，就請你一一道來。
弟：光的本質問題是貫穿在光學發展中的一個根本問題。正是這種對光的本質的探討有力地推動了光學以及整個物理學的發展。人們對光的認識，從光是“物質的微粒流”，經曆了光是“以太的振動”，光是“電磁波”，再到光是“波粒二象性的統一”等各個認識階段。這一認識曆程從牛頓和惠更斯之爭算起到現在，其間經曆了三百多年。人們遵循實驗——假設——理論——實驗這條途徑，逐步達到對光的本質的認識，這一認識揭示了光和電磁的統一，光的波動性和微粒性的統一。
牛頓根據光的直線傳播性質，提出光是微粒流的理論。1704年，牛頓在他的《光學》一書中指出：水波碰到障礙物時，它會發生彎曲並不斷地向障礙物後麵的水域擴展。空氣波，由空氣脈動構成聲音，顯然也會發生彎曲。小山可以擋住我們的視線，使我們看不見大炮，但我們仍然可以聽到發炮的聲音。至於光，從來沒有聽說過它可以沿著蜿蜒曲折的通道傳播，或者朝著陰影內彎曲。
牛頓借助棱鏡發現了光的色散現象。他用棱鏡把白光分解成光譜。又用棱鏡把光譜合成白光。牛頓認為每種色都是一種微粒，而各種微粒都是不變的物質。
光在鏡子上的反射支持了牛頓的“微粒說”。牛頓認為這種反射就像球撞在牆上那種反射一樣。
對於折射的解釋稍為困難一些。牛頓假設微粒落在玻璃麵上，玻璃對微粒施加某種垂直向下的力。這種力使微粒的速度增加從而改變了原來的方向，見圖12-1。
圖12-1光的反射和折射
與牛頓同時代的物理學家惠更斯不認同牛頓的“微粒說”，提出了“波動說”。惠更斯在《光論》一書中指出：假如注意到光線在各個方向以極高速度傳播，以及光線從不同地點甚至方向完全相反的地點發出時，在傳播中一條光線穿過另一條光線而互相毫無影響，就會明白這一點：當我們看到發光的物體時，決不可能從它本身射出物質，像穿過空氣的子彈一樣通過物質遷移引起。
惠更斯認為光是發光體的微小粒子的振動在充滿宇宙空間的介質“以太”中的一種傳播過程。光的傳播方式像聲音的傳播方式一樣。惠更斯認為光是一種縱波，這種波以非常大而有限的速度在“以太”中傳播。
惠更斯假定光從光疏介質進入光密介質時，其速度會減少，這樣就能解釋光的折射現象。
雖然光的“波動說”有許多合理之處，但這個理論未能使人們感覺到“波”的存在，17世紀至18世紀，牛頓的微粒說一直大行其道。
1801年，物理學家楊格（ThomosYoung）在一篇論文中提出了光波頻率和波長的概念。用“幹涉”原理解釋了“牛頓環”現象。
他指出牛頓環的明暗條紋，是由不同界麵反射出的光互相重合產生“幹涉”的結果。相位相反的振動疊加起來就互相抵消，相位相同的則互相加強。
1807年，楊格在他的《自然哲學講義》一書中進一步闡述了幹涉原理，描述了著名的幹涉實驗，見圖12-2。楊格完滿地解釋了光的幹涉現象，並且指出，幹涉現象是波動的普遍特征。楊格為光的波動理論做出了重要的貢獻。
圖12-2楊氏的幹涉實驗
1818年，法國科學院提出征文競賽題目：一是利用精確實驗確定光線的衍射效應；二是根據實驗，用數學歸納法推求出光通過物體附近時的運動情況。物理學家菲涅耳（Fresnel）提交了應征論文。這篇論文的主體是惠更斯的包絡麵作圖法同楊氏幹涉原理結合而成，建立了他的作圖形式的衍射理論。他用半波帶法定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的衍射花紋。菲涅耳把自己的理論和對實驗的說明提交給評判委員會。參加這個委員會的有：波動理論的熱心支持者阿拉果，微粒論的支持者拉普拉斯、泊鬆和比奧，持中立態度的蓋·呂薩克。菲涅耳的波動理論遭到了粒子論者的反對。在委員會的會議上，泊鬆指出：根據菲涅耳的理論，應該看到一種非常奇怪的現象，如果在光束的傳播路徑上，放置一塊不透明的圓板，由於圓板邊緣的衍射，在離圓板一定距離的地方，圓板陰影的中央應當出現一個亮斑。在當時來說，這簡直是不可思議的。所以泊鬆宣稱，他已經駁倒了波動理論。菲涅耳和阿拉果接受了這個挑戰，立即用實驗檢驗了這個理論預言，非常精彩地證實了這個理論的結論，即影子的中心的確出現了一個亮斑。這個亮斑後來稱之為泊鬆亮斑。在楊格的雙縫幹涉和泊鬆亮斑的事實確證下，光的微粒說開始走向崩潰。
早在牛頓時代，人們就知道通過方解石的光束會分裂成兩束折射光的現象。
1808年底的一個傍晚，在巴黎盧森堡宮殿外，法國工程師馬呂斯（Malus）用方解石晶體來看落日在玻璃上的反射現象時，他驚奇地發現隻出現一個太陽的像，而不是一般雙折射時的兩個像。原來人們認為光被反射或折射時，它的物理性質是不會改變的，這個偶然的發現打破了這一見解，馬呂斯想到這可能是反射造成的。夜間他驗證自己的發現時，觀察了蠟燭光在水麵上的反射，發現當光束和表麵成36°反射時，在晶體中的一個像就消失了；在其他角度下，兩個像的強度一般是不同的。在晶體轉動時，較亮的像會變暗，較暗的像會變亮。
利用其他反射表麵，也會看到類似現象，隻是發生一個像消失的角度不同。對於玻璃來說，光束與表麵成35°，一個像即發生消失。
馬呂斯對經過方解石分解出來的尋常光線和非尋常光線的反射做了進一步研究後，發現如果一條光線反射了，另一條光線就會進入第二種介質。他引入了“光的偏振”這個術語。馬呂斯證明了尋常光線和非尋常光線在互相垂直的平麵內偏振。
馬呂斯進而研究了在簡單折射中的偏振。他發現光在折射時是部分偏振的，折射光的偏振和反射光的偏振是成相反分布的。他對這一發現非常高興，認為它擊中了波動論的要害，且有利於確證把光粒子看作成有不同“側麵”的粒子說。它被微粒論的支持者認為是對光粒子說的“真理性數學證明”。
1816年，菲涅耳和阿拉果一起研究了偏振光的幹涉。他們發現來自同一光源的通過方解石分裂成的兩條折射光互不幹涉。其中每一條折射光束可以用某種光學方法進行分光，分光後光束都可以自己相互幹涉。這一事實給縱波的觀點造成很大困難。一直為波動說的困難尋找解決辦法的楊格當知道菲涅耳和阿拉果的工作結果後，於1817年覺察出，如果光的振動不是像聲波那樣沿傳播方向作縱向振動，而是像水波或拉緊的琴弦那樣垂直於傳播方向作橫向振動，問題或許可以得到解決。1817年初，楊格寫信給阿拉果，在信中他闡述了他的想法。阿拉果把楊格這一新想法告訴菲涅耳。菲涅耳當時已經獨立領悟到這個思想，並且發展了這一思想。菲涅耳指出：光波係統可能是由兩個互相垂直的振動所組成。由於自身結構的特點，方解石晶體能夠把光束分解為相互垂直的兩個分量，這就出現了偏振現象。因為這兩個分量是相互獨立的，所以它們不能互相幹涉。水平方向的位移不可能與垂直方向的位移相互抵消。之後，菲涅耳和阿拉果根據這個思想做了一係列偏振光的幹涉實驗，最後得出五點結論：
①振動方向相互垂直的偏振光不發生幹涉。
②振動方向相同的偏振光發生幹涉，與自然光的幹涉相同。
③原來振動方向互相垂直的兩束偏振光，用某種方法使振動麵轉到同一平麵後仍然不發生幹涉。
④原來振動方向相同的一束偏振光，若用某種方法分裂成相互垂直的兩束偏振光，則轉動偏振麵後又回到同樣的偏振狀態，兩束光發生幹涉，與自然光的幹涉相同。
⑤雙折射光線幹涉條紋的位置，不隻是由路程差和速度差決定，在某種情況下，還必須把半波損失考慮在內。
但是，新的波動說也引起了關於以太性質的許多問題，這甚至使菲涅耳在接受光的橫波假設之前，也經曆過一番掙紮。他指出：“這個假說與公認的彈性振動概念如此矛盾，導致我長久以來不能決定采用它；甚至全部事實和長久思考使我相信這個假說對於說明光學現象是必要的……”他又指出：縱波可以通過氣體介質傳播，而橫向振動隻能在固體物質中產生。很難設想一種能傳播橫波的固體以太，卻能讓天體自然通過。楊格在讀到菲涅耳關於光波係統是由垂直於傳播方向的兩個互相垂直的振動所組成的假設時，寫道：“菲涅耳先生的這個假設，至少應當被認為是非常聰明的。利用這個假設可以進行相當滿意的計算，可是，這個假設又帶來了一個新的問題，它的後果確是可怕的……到目前為止，人們都認為隻有固體才具有橫向彈性。所以，接受波動理論的支持者們在自己的論文裏就要承認：充滿一切空間並能穿透所有物質的光以太，不僅應當是彈性的，而且應當是絕對堅硬的！”
菲涅耳的研究成果，標誌著光學進入了一個新時期——彈性以太光學時期。這個學說的成功，在牛頓物理學中打開了第一個缺口。由於菲涅耳的工作給波動理論奠定了如此牢固的基礎，他被人們稱為“物理光學的締造者”。
光的橫波理論能解釋光的偏振現象。但由此衍生來的彈性以太成為攻擊對象。波動說與微粒說無法取得共識。1850年，阿拉果提出建議，由傅科、菲佐和布雷格特做關於光速的仲裁實驗。當光由光疏介質進入光密介質時，按微粒說的解釋，光在光密介質中光速比較快。相反，按波動說的解釋，光在光密介質的速度比較慢。傅科等人直接測量了空氣和水的光速，結果毫無疑問，判定波動理論獲勝。光的微粒說從此退出了曆史舞台。
19世紀後半時，麥克斯韋提出了光的電磁理論，創立了電磁波學說。電磁學的一係列發現，揭示了光與電磁的內在聯係，證明了光就是電磁波。
19世紀末到20世紀初，光的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的微觀結構中。1905年，愛因斯坦在解釋光電效應現象時提出了光量子的假設，即光是由能量不連續的，ε=hν的光量子組成。1916年，愛因斯坦又把動量p=hν/c=h/λ與光量子聯係起來，在光的本質屬性方麵他肯定了波粒二象性共存。
兄：麥克斯韋的電磁波理論是錯誤的，在這之前我已經講過了。電子在導體內來回振蕩，導體周圍的空間出現了磁力大小和方向的周期性變化。如果變化是劇烈的，就會出現敲擊效應，導致磁波的發生。麥克斯韋的電磁理論把簡單的問題複雜化了。這也難怪，麥克斯韋並不知道電是什麼、磁是什麼。