光的本性之争
我为什么会写这篇文章呢？高中时期读过几本对我影响非常大的书籍，其中一本是关于光的本质之争的书籍被我遗失了，之后也再没找到，最近在网络上搜集相关资料重新整理一下。当时读的时候关于光的波粒二象性相关实验对我触动很大，尤其那个非常恐怖的双缝干涉实验以及之后引出的一系列问题。
牛顿的《光学》光的粒子性权威
1704年，牛顿著成《光学》，其中他详述了光的粒子理论。
- 光的反射：微粒碰到刚体后发生反射
- 光的折射：更高密度的介质对光有一个吸引力，光在更高密度的介质中传播速度更快
- 光的色散：白色光是由多种色彩混合而成，通过三棱镜可以将其分开，其中红色微粒质量更大，惯性更大，而紫色微粒质量最小惯性最小
看似非常合理，光的微粒说可以完美解释光的反射、折射，色散等现象。
题外话
思考：其实牛顿在《光学》中做了大量实验，其中很多实验设计都很巧妙，牛顿时代以胡克为代表的光是机械波的学说还比较盛行（当时已经知道声音是一种波，人们想当然的认为光也是一种机械波），但是机械波的传播依赖传播介质，因此那个时代真空中存在以太物质这个假说还很盛行，可是牛顿大神不相信以太的存在啊。那么该如何证明以太不存在？
以太学说提出后，肯定会有科学家前赴后继的提出和设计实验来验证，其中比较著名的是迈克尔逊-莫雷实验。
实验的原理是基于这样的假设：如果地球在以太中运动，那么光在不同方向上的传播速度应该会有所不同，类似于风吹过时声音传播速度的变化。因此，通过比较光在不同方向上的传播时间，可以检测出地球相对于以太的运动速度，即所谓的“以太风”。
迈克尔逊和莫雷设计了一种干涉仪，称为迈克尔逊干涉仪，它能够非常精确地测量光程差。他们将一束光分成两束，分别沿垂直方向发射，然后重新结合起来产生干涉条纹。通过观察干涉条纹的移动，可以检测到由于以太风引起的光程差变化。
然而，实验结果出乎意料，无论实验装置如何旋转，都没有观测到预期的干涉条纹移动，即没有检测到以太风的存在。
当然现在的我们知道不应该通过对速度的观察而应该是观察多普勒效应来判断以太是否存在，同时在光速不变论的框架下，该实验事实上无法证明以太的不存在。
问题：牛顿对光的折射的解释是光在密度更高的介质里传播速度更快，如何证明或推翻该学说。
要推翻该学说其实只需要测量光速即可，当然那个时代还无法精确测量光速，一旦光速可以测量就可以推翻牛顿的假说了。
牛顿对光学的研究很早，但是当时牛顿和胡克之间的互撕导致牛顿一直不愿意发表自己对光学的研究成果，直到胡克死后才发表，而彼时的牛顿对力学的研究已经成为那个时代最伟大的科学家了。由于牛顿在科学上的地位极高，因此那个时代由于大家对牛顿的崇拜而都选择认可微粒说。
其实牛顿通过对泡沫上的颜色观察发现了牛顿环的存在，而牛顿环恰好是证明光是一种波的有力证据，可惜牛顿并没有对其进行深入研究。牛爵爷在看到起泡上的彩条没有放过该现象，而是自己打磨凸透镜和平面镜来研究该现象（没有放过我们常见的现象）但是却没能深入研究牛顿环实为可惜，但科学发展本身就是一个接力棒，不可能有人研究完所有的理论的，就像麦克斯韦对法拉第的研究是一个继承一样。事实上牛顿对光的研究做了大量的实验，一直以微粒说来解释一切光学现象，如果被一个实验验证光是波那牛爵爷该做何感想？数年的研究付之一炬！
杨氏双缝干涉实验奠定了波动说不可撼动的科学地位
牛顿时代波动学说的代表人物是胡克，和惠更斯，惠更斯在《光论》中详细说明了光的波动理论，其中惠更斯原理的基本观点是：
- 波前上的每一个点都可以被看作一个新的波源。
- 这些新波源发出的次波（spherical wavelets）将向各个方向传播。
- 在一个较晚的时间点，这些次波的包络将形成新的波前。
换句话说，波的传播可以用一系列的次波来解释。每个次波都是从前一个波前的每一个点发出的，并且这些次波的相互作用决定了波的传播方向和形状。惠更斯原理可以用来解释许多波动现象，包括光的折射、反射和衍射等，下图是光的波动说色散模型。
但是缺乏严谨的实验来验证，直到1807杨氏双缝干涉实验的出现。以下是杨氏双缝干涉实验的示意图：
在物理学中的光学一篇中会详细学习光的干涉和衍射公式，其理论推理和实验验证得到的干涉条纹的间距，亮度等都完美契合。至此光的波动学说取得不可撼动的科学地位，微粒说无法解释光的干涉现象。
波动学说看似取得完胜，但是还有一个现象无法解释，那就是光的偏振现象。1669年丹麦巴塞林纳斯发现用光照射方解石发现了双折射现象这个问题经过后来学者研究发现是光的偏振。
当时托马斯 杨认为光是一种纵波，但是纵波无法解释光的偏振现象，而只有横波才具有偏振现象，这个理论的完善是由马吕斯完成的。
问题：杨氏双缝干涉实验真的可以完全确定光就是波吗？
柏松光斑之后光的波动说被科学界接受
虽然杨氏双缝干涉实验证实了光是一种波，而且是横波，但是当时牛顿在科学上的权威性太强了，光是波并没有被科学界接受，甚至当时法国科学院搞出来一个悬赏，题目是《用数学解释衍射现象，并做实验证明》这个悬赏本来目的是让科学家用光的微粒说来解释，因为当时委员会是微粒说的拥护者，其中一个就是柏松。柏松是期待微粒说大获全胜的。但是当时一位物理学者菲涅尔用光是一种横波的模型从数学上推导了光的衍射行为，并且跟实验现象符合的很好。柏松根据菲涅尔的公式推导出在一个圆盘的遮挡下会导致这个黑色阴影的中心有一个亮点，因此还嘲讽菲涅尔（柏松大神也不做实验来验证就出来嘲讽啊，这样会被打脸的）。菲涅尔的朋友帮他做了这个实验狠狠打了柏松的脸，可是为什么这个亮点叫柏松亮斑呢？我菲涅尔表示不服，应该叫菲涅尔-柏松亮斑，毕竟菲涅尔在其中也起到了非常关键的作用啊（当时的菲涅尔还是一个不知名的学者）。
至此科学界接受了波动说，菲涅尔创立了物理光学。
麦克斯韦预言光是电磁波
麦克斯韦在研究电磁波的特性时推导出了电磁波的速度竟然跟光速是一样的，于是麦克斯韦就预言“光是一种电磁波”，这个预言后来被赫兹证实。赫兹通过实验产生了电磁波，并且在日后的研究中发现可见光只是电磁波中的很小的一段。
从光电效应到康普顿散射，光的微粒说又回来了
光电效应
本来关于光的研究已经接近尾声，一切都很完美，光就是一种波，可是这个世界总不让科学家们停下来，光电效应的发现让光的本性之争又发生了反转。
光电效应（photoelectric effect）是指光束照射物体时会使其发射出电子的物理效应。发射出来的电子称为“光电子”。但是实验现象出现了波动说无法解释的奇怪现象。
实验发现，如果光的频率v低于某个值，无论照射时间多长，无论波的振幅多大都无法导致光电效应。而只要光的频率高于某个阈值，无论光强多弱，时间多短都能造成光电效应。按照经典波动理论，入射光光强越大，光波上的电场强度、振幅也会越大，故作用在金属上电子的力也会越大。同时，光电子逸出的能量也应越大。即经典理论认为：光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，而与入射光的种类，频率无关。
1905年，爱因斯坦在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里，重新解释光电效应，他提出光量子假设，光束是由一群离散的能量粒子组成，称为光量子，而不是连续性波动。这光量子后来简称为光子。爱因斯坦给出诠释：频率为v的光量子拥有的能量为E=hν，其中，h因子是普朗克常数。爱因斯坦认为，组成光束的每一个光量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光量子的频率大于某极限频率，则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸（称为光电子），造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为甚么光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱，只要频率足够高，必会产生一些高能量的光量子来促使束缚电子逃逸。尽管光束的辐照度很强劲，假若频率低于极限频率，则仍旧无法给出任何高能量的光量子来促使束缚电子逃逸。
但是不能因为你是爱因斯坦说光的本质是光量子它就是吧，虽然光量子的假说可以完美诠释光电效应，但是我们都看了这么多光的本性之争的实验了，那光量子也需要实验支撑的。
康普顿散射
在原子物理学中，康普顿散射，或称康普顿效应（Compton effect），是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用，因失去能量而导致波长变长的现象。相应的还存在逆康普顿效应——光子获得能量引起波长变短。这一波长变化的幅度被称为康普顿偏移。
康普顿效应首先在1923年由美国物理学家阿瑟·康普顿观察到，并在随后的几年间由他的研究生吴有训证实了其普遍性。康普顿因发现此效应而获得1927年的诺贝尔物理学奖。
在引入光子概念之后，康普顿散射可以得到如下解释：电子与光子发生弹性碰撞（弹性碰撞产生的非弹性散射），电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出，整个过程中总动量守恒，如果光子的剩余能量足够多的话，还会发生第二次甚至第三次弹性碰撞。而此实验正好完美符合光量子假说，光量子的能量E=hv，符合能量守恒定律，而传统的光的波动说是无法解释该现象，这强有力的证明了光的粒子性。
微粒说如何解释光的波动现象？
杨氏双缝干涉实验证明了光确实是波，可是这个逻辑存在一个漏洞那就是必须要有实验证实粒子无法产生干涉现象才能逻辑闭环，而几乎所有人都理所当然的认为粒子通过双缝后应该打在光屏上形成两道亮斑，但这只是想当然的认为而非实验结果。
电子的双缝干涉实验
我们只需要将杨氏双缝干涉实验的光源替换成粒子流就可以发现与光的干涉条纹一样的明亮相间的粒子斑。1961年，德国图宾根大学的Claus Jnsson 在铜片上加工出一组300 nm 宽的狭缝，然后用电子显微镜的40 keV 电子束照射。由此产生的图像显示了一种干涉图案。可电子是微粒啊，为什么电子之间还能发生干涉现象。虽然无法解释该现象，但至少从实验上证实了光量子的本性也可以产生波动性质。进一步如果电子具有波动性，那其他物质是否也具有波动性呢？
德布罗意波，也称为物质波（Matter waves）该理论指出所有物质都表现出波动性。其波长为：
\[ \lambda = \frac{h}{v} =\frac{h}{mv} \]
例如，电子束可以像光或水波一样发生衍射。但是在大多数情况下，由于像网球等这样的常见物体的波长太小，物质波无法对日常活动产生实际影响。你德布罗意也不能开局就凭一张嘴说物质都能表现出波的特性那就对吧，总得有实验支撑才行吧。在人们能控制电子的行为后就疯狂进行实验，犹如当年无数科学家拿光进行各种照射分解实验一样进行了大量的实验证实物质确实可以表现出波的特性。但是为什么粒子可以表现出波动性呢，科学家暂时无法给出解释只好认为光同时具有波动性和粒子性即波粒二象性。
光到底什么时候表现出波动性？什么时候表现出粒子性。波的本质是粒子？还是粒子的本质是波？科学家只得继续进行研究。
单电子双缝干涉实验
既然电子束可以通过双缝产生干涉条纹，那如果让电子一个个通过双缝是否还能产生干涉条纹呢？Jnsson 不能产生或测量单个电子，因而不能证明每个电子本身都有波的特性。
1965 年，费曼在加州理工学院做了一系列著名的讲座，其中讨论了，朝着双缝发射单电子，在原则上可以产生干涉图案——从而证明了物质的波粒二象性。费曼并不认为他的思想实验是可实施的，但是制造技术的进步逐渐使这个前景接近现实。最终， 意大利的StefanoFrabboni 及其同事让电子通过只有83 nm宽的狭缝，证明了干涉。使用200 keV 的电子显微镜，Frabboni 小组能够将束流变得非常弱，能够以很高的概率预测，在任何给定时刻，在源和探测器之间不超过一个电子。但由于探测器的局限性，他们不能直接测量单个电子的干涉。直到2013 年，终于做了第一个实验，令人信服地证明了单个电子的双缝干涉。
美国内布拉斯加-林肯大学的Roger Bach 和同事们使用62 nm 宽的狭缝，让能量仅为0.6 keV的电子通过这些狭缝。小组降低了入射光束的强度，使得每秒钟只能探测到一个电子，从而保证在任何时候，源和探测器之间最多只有一个电子(概率大于99.9999%)。实验连续进行了两个小时，起初，单个的电子好像是屏幕上随机产生的点。但是，随着检测到的电子越来越多，亮暗区域相间的干涉模式就逐渐显露出来。
每个电子都是在下一个电子发射前就被检测到的，显然不可能影响未来通过狭缝的电子。正如费曼所说的：我们必须承认，每个电子(事实上也是所有的物质)都具有类似波的性质(产生了干涉模式)，而且也必然是单独的粒子(因为就是这样被探测到的)。天塌了！难道单个电子同时经过两个狭缝，并且自己跟自己产生干涉？要不再观测一下看看电子到底是同时经过两个缝还是只通过一个缝？
恐怖程度不断升级的双缝干涉实验
以上实验都是科学家花费大量时间和精力去做过的验证实验，而以下实验则都是思想实验，无法通过实验直接证明。
which way双缝干涉实验
对于单电子双缝干涉实验进行升级，如果我们在双缝前加一个观测装置看一看电子到底是通过哪条狭缝，但是量子力学告诉我们，当我们去观察电子到底从哪个狭缝通过时干涉条纹将会消失（通过薛定谔方程计算得来）。观察会影响电子的行为？不观察就会出现电子干涉条纹，而观察就会导致干涉条纹消失（表现出粒子性），薛定谔方程的波函数出现坍缩。
延迟选择实验
1979年，惠勒在美国普林斯顿大学纪念爱因斯坦诞辰100周年讨论会上正式提出延迟选择实验，该实验源自爱因斯坦曾提出的分光实验。实验是按如下方式进行的：从一光源发出一光子，让其通过一半镀银镜，光子被反射与透射的概率各为50%。之后，在反射或透射后光子的行进路径上分别各放置一反射镜A和B，使两条路径反射后在C处汇合。而C处则放有两探测器，分别可以观察A路径或B路径是否有光子。此时只有一个探测器能够测得光子，即能确定光子走的是哪一路径（A→C或B→C）。
而如果在两个探测器前再放置一个半镀银镜，可以使光子自我干涉。如适当调整光程差，可使得在某一方向（A或B）上干涉光相消，此方向上的探测器将无法收到信号，另一方向上的探测器则必定会接收到信号。按量子力学理论，这说明光子同时经过了两条路径。其实这个实验本质还是双缝干涉实验的不同实现方式，只是多了第二块半镀银镜是可以拿走和放回的。
事实上，我们可以在光子已经通过A或B后再决定是否放置第二块半镀银镜（此即实验名称“延迟选择”的由来）。如不放置，则根据前一种情况，光子只通过一条路径；如放置，则根据后一种情况，光子通过两条路径。what？也就是说，观察者现在的行为可以决定过去发生的事，而这一结论是与传统因果论相违背的，结果导致原因。
其实光子在经过第一块半镀银镜时也可能是同时经过了两条路径，只有在到达C之后才发生波函数坍缩，因此这样也可以解释延迟选择实验的现象，在未观察前就是概率的或者纠缠状态的。这个不会引发因果论危机。
量子擦除实验
第一阶段
第一阶段，显示器显示出的符合计数曲线图类似典型的相对频率曲线图，说明存在干涉现象。
应用自发参量下转换机制，照射光子束于偏硼酸钡晶体（beta-barium borate crystal，一种非线性晶体），可以制成很多纠缠光子对，每个纠缠光子对的两个光子各自具有的能量为先前的一半，它们的偏振彼此相互垂直。假若一个是横偏振，则另一个是竖偏振；假若一个是竖偏振，则另一个是横偏振。它们会分别沿著不同路径移动于相隔一段距离的两个区域。在第一个区域，光子Fp会直接被探测器Dp吸收。在第二个区域，光子Fs会通过双狭缝，抵达第二个探测器Ds。假若将偏硼酸钡晶体的入射光子束光强降低到足够暗淡，则可确保光子是以一个一个的方式通过双狭缝。为了只检试纠缠光子对，将两个探测器Dp、Ds跟符合电路（coincidence circuit）连结在一起。用步进马达来移动探测器Ds，按照指令扫描标靶，所收集到的数据可以制成杨式双缝实验的标准干涉图样，或描述这干涉图样的符合计数曲线图。
第二阶段
第二阶段，符合计数曲线图不同于典型的相对频率曲线图，说明不存在干涉现象。
在第二个区域的不透明板的两条狭缝前面，分别置入光轴方向相互垂直的四分之一波片（quarter-waveplate），分别标记为QWP1、QWP2，这两种四分之一波片将光子原本的平面偏振分别改为左旋圆偏振、右旋圆偏振，因此可以将光子贴上左旋圆偏振或右旋圆偏振标签。由于光子Fp与光子Fs纠缠在一起，从光子Fp的偏振信息、光子Fs的标签，可以推断出光子Fs的路径信息。由于左旋圆偏振态与右旋圆偏振态相互垂直，先前显示出的干涉图样会因此销毁殆尽，这可以从符合计数曲线图观察到。
第三阶段
第三阶段，光子Fp先抵达探测器Dp。由于起偏器会吸收很多光子，符合计数约为先前的一半。
第三阶段，光子Fs先抵达探测器Ds。符合计数曲线图没有甚么不同。
对于第二个区域的装置不作任何变动，在第一个区域，将一个线性起偏器置入光子Fp的移动路径，使得光子Fp具有对角偏振（横偏振与竖偏振的偏振方向所形成的夹角，其角平分线方向是这种对角偏振的偏振方向，与横偏振呈+45°），连带地因量子纠缠将位于第二个区域的光子Fs的偏振改变为另外一种对角偏振（与横偏振呈-45°），并且两种对角偏振的偏振轴相互垂直。因此，先前两个四分之一波片的作用也会有所改变，它们各自会制成机率幅比例不同的左旋圆偏振态与右旋圆偏振态叠加在一起的量子态。这样，探测器Ds不再能从偏振态决定光子到底通过哪条狭缝，干涉图样又会再被恢复。
总结一下就是如果我们在光子的路径上做上标记（光子通过第一个狭缝的时候发生顺时针偏振，通过第二个狭缝的时候发生逆时针偏振）那么干涉条纹消失，如果不能获得路径标记信息则干涉条纹恢复。如果我们获得了路径信息后再将路径信息擦除则干涉条纹同样再次出现。
对各种版本的双缝干涉实验的诠释
前面的思想实验并没有真正做出来那实验结果是怎么来的呢？这个就不得不提薛定谔方程了，薛定谔方程可以准确描述微观粒子的状态，而根据薛定谔方程可以推导出上述实验结果。
薛定谔方程
在量子力学中，薛定谔方程（Schrödinger equation）是描述物理系统的量子态随时间演化的偏微分方程，描述的是微观粒子的物理性质。这一形式既包含了粒子的性质（通过波函数的模平方），又包含了波动的性质（通过波函数的相位）。在经典力学里，人们使用牛顿第二定律描述物体运动。而在量子力学里，类似的运动方程为薛定谔方程。薛定谔方程可以分为“含时薛定谔方程”与“不含时薛定谔方程”两种。
含时薛定谔方程
\[ \hat{H}\Psi = i\hbar \frac{\partial }{\partial t} \Psi \]
其中\(\hat{H}\)是表征波函数总能量的哈密顿算符，\(\Psi\)是物理系统的波函数，i是是虚数单位，\(\hbar\)是约化普朗克常数。该函数描述了微观粒子的位置或状态。
仔细看下上图，这个函数的波形是不是跟干涉条纹是一样的，对薛定谔方程就是这么来的，它不是根据物理定律演算得到的而是硬通过数学的方式根据干涉条纹推得的。那么薛定谔方程是如何解释观测会导致干涉条纹消失的呢？按照薛定谔方程，电子存在某一点的概率就是如上图所说是一个干涉条纹的形状，而当有人去观测时干涉条纹消失是由于波函数发生坍缩只能存在于确定的一点，那么观察会导致干涉条纹消失。
除了薛定谔外还有一些其他物理学家给出了一些诠释，其中比较有影响力的就是哥本哈根学派。
哥本哈根诠释
波尔：互补原理
波尔认为电子表现出粒子性还是波动性取决于探测方法，你用粒子探测手段他就表现出粒子性，你用波动性探测手段他就表现出波的特性。粒子性和波动性无法同时存在。
波恩：概率波
概率波的解释电子是按照一定的概率存在于波函数表述的空间内，其概率正比与\(\Psi\)的平方。当你去探测它的时候就可以确定电子的具体位置，但是未探测的时候它处于薛定谔方程描述的任意空间内。而探测行为会导致波函数坍缩，比如当你探测波函数描述范围的一半发现电子在该区域，那么波函数坍缩为该半个区域方程。
海森堡：不确定性原理
不确定性原理（uncertainty principle，又译测不准原理）表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间。这一原理进一步强调了波粒二象性的本质，即微观粒子的行为在本质上是概率性的。
哥本哈根学派通过概率波来诠释波粒二象性，光处于粒子状态和波状态的叠加状态，只有通过观测才能确定具体的状态。
薛定谔的猫与上帝不掷骰子
薛定谔和爱因斯坦等一批学家是完全接受不了哥本哈根学派的诠释的，电子按照概率通过双缝，爱因斯坦嘲讽道难道上帝靠掷骰子决定世界的物理规律。爱因斯坦认为量子力学是不完备的，可能还有一些隐变量存在，只是目前还不能被研究清楚。
薛定谔就更认真了，设计了一个思想实验来嘲讽哥本哈根学派：
把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并且装置以下仪器（注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰）：在一台盖格计数器内置入极少量放射性物质，在一小时内，这个放射性物质至少有一个原子衰变的机率为50%，它没有任何原子衰变的机率也同样为50%；假若衰变事件发生了，则盖革计数管会放电，通过继电器启动一个榔头，榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后，假若没有发生衰变事件，则猫仍旧存活；否则发生衰变，这套机构被触发，氰化氢挥发，导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。
本质上是将微观世界的不确定性导致的叠加态与宏观世界联系起来，从而引发出的一系列非常荒谬的事情。比如这只同时处于极生又死的叠加态的猫，而只有通过观测才能赋予猫活的生命或者死的状态。
上帝说要有光，于是便有了光，而科学家对光的研究最终直接导致了量子力学的诞生。其实现代物理学的量大理论都是源于对光的研究产生的.