光是粒子又如何，光是波又如何？

之前我們討論了能夠在很大程度上說明光是粒子的實驗：光電效應為什麼能夠證明光的粒子性。那當然，也有大量的實驗佐證光是波——把光看作是介質上的振動，然後依賴介質上的Newton力學來理解光的行為。那麼，為什麼光不能就是這樣的東西：在解釋不同的實驗的時候用不同的模型呢？這樣有什麼不可以呢？

首先，有其他實驗可以很大程度上證明光的傳播不需要介質。例如Michelson-Morley實驗（請自行Wikipedia之）證明如果有介質並且這個介質的運動速度通過伽利略變換進入光的傳播速度的話，那麼，實驗結果和理論結果不符合。再例如，有實驗證明光是可以在真空中傳播的：你想確認一下這個事實的話，只要看一下天空，看到太陽月亮星星就是這個證明——你想中間有多少什麼都沒有的路光要走啊。當然，你仍然可以懷疑說，這個看起來測量起來什麼粒子都沒有的「真空」其實不是真空，還是有某種介質的。於是，你就可以設計一個情景來讓這個「介質」有自身的速度，這時候，再來測量光的行為，就回到了Michelson-Morley實驗。因此，Michelson-Morley實驗很大程度上說明：光的傳播不需要介質，如果有介質則這個介質很神奇——其自身運動的速度不怎麼影響光的傳播。

既然沒有介質，那麼，把光看作介質上的振動，並且這個振動的傳播符合Newton定律就不太行了，那怎麼來建立光的心智模型？

接著，我們回顧一下那些啟發了光的經典介質波的模型的實驗。例如，光的折射和反射。聲波、水波都會出現折射和反射，也就是一個振動傳過來遇到了界面，界面上的介質會被這個傳過來的振動激發，由於是不同的介質，這個受激發的振動可能會被傳播到其他方向上去。如果是同一種介質，其實也會發生這個受激發振動的事情，只不過，那個時候，跑向各個方向的受激發振動剛好相互抵消。而當存在不同介質的界面的時候，某些方向上的振動會被加強而不是相互抵消。這個把介質上的多個粒子受激發振動看作新的波源然後做疊加的做法叫做惠更斯－菲涅耳原理（其本質還是波的Newton力學），或者去看看Feynman的《QED：光和物質的奇妙理論》。當然，其實，光的折射和反射也可以用直線傳播的小球和半透膜的模型來解釋：把光看作小球，每次遇到半透膜（開了很多小孔的篩子？）就有可能被彈回，也有可能透過。這個稱作光的隨機性粒子模型（有的時候也被稱作幾率波粒子模型）。

那我們再來看光的干涉和衍射。衍射現象是指，在光的傳播路徑上，有障礙物，可是，你仍然在障礙物的後續路徑上觀察到了光。如果光是直線傳播的小球，就不太可能有這個現象了。而波的惠更斯－菲涅耳原理就可以解釋這個現象，在此略過這個解釋。光的干涉現象是指來自於兩個振動源的光在同時能夠達到的區域會出現暗條紋和明條紋。暗條紋的意思是，對於打開任何一個光源就能夠照亮的區域，當同時打開兩個光源的時候，反而不變暗。當然，這個時候，對光源有一定的要求。但是，這件事情用光的粒子模型是很不可理解的：你在玩植物大戰殭屍的豌豆射手或者用機槍打仗，發現，有一個地方用一個豌豆射手或者一個機槍手都可以打到，但是，當你放上兩個豌豆射手或者兩個機槍手的時候，就打不到了。這是不可能的事情。如果是這樣，就沒有火力覆蓋了。

那麼，把光看作是介質上的振動是怎麼來理解光的干涉的呢？說一個光源傳過來的振動和另一個光源傳過來的振動可能在振幅上不匹配，例如一個是振動最低點也就是波谷的時候，另一個正好傳過來一個振動最高點也就是波峰，正好這兩個振動的矢量疊加相互抵消，於是，沒有照亮。這個解釋非常漂亮。

那問題來了，到底我們應該把光看作是粒子還是滿足Newton定律的介質上的振動波呢？我們能不能在討論某些實驗例如折射反射光電效應的時候，把光看做粒子（當然，這時候，我們也要問這個粒子是不是滿足粒子的Newton定律。問題留在這裡，以後再說），而在討論折射反射衍射干涉的時候，把光看作是滿足Newton定律的介質上的振動波呢？萬一遇到新的現象怎麼辦，用什麼方式來描述？或者每次都先試試用兩個理論之一的結果和實驗比較一下，對上了，對這個現象就用這個理論？

第一、科學的目標是希望對於給定的現象，我們的理論模型能夠給出來一個結果的預期，然後和實驗相比較。因此，每次來湊一湊試一試顯然是不行的。如果能夠對現象做一個完善的分類，遇到現象就知道用哪一個模型，倒是也可以接受。不過，這個分類，在光這個現象上，我沒有見過。

第二，科學的原則有一條，希望用更少的並且相互不衝突的更具有一致性的理論來解釋更多的現象。因此，用兩條看起來相互衝突的理論來解釋同一種東西的不同的現象是不夠的，就算上面提到的完善的分類存在的話。而且，將來，我們會看到，有一個光的新的理論，它能夠同時解釋上面所有的現象。

順便，我們怎麼知道是同一種東西呢？只要我們做實驗的時候產生光的機制是一樣的，然後用來做以上兩類實驗就可以。另外，在這裡，我特意扔掉了光的波的模型，而用更加複雜的「滿足Newton定律的介質上的振動波」的模型。將來我們會知道新的模型還是一個光的波的模型，只不過不符合Newton定律，而且是振幅波，而不是幾率波。後面為了語言的簡單，我把這個「滿足Newton定律的介質上的振動波」的模型簡稱為經典波模型。

那麼，到底怎麼辦？什麼樣的模型可以即具有粒子性，也就是確實是一顆一顆打過來的，不會再一次把能量分離成為某個最小單位以下的，強度增加就意味著增加粒子數量的，這樣的粒子，還具有波性，也就是可以發生干涉和衍射的這樣的波？

再一次提醒注意這個干涉的不可思議性：如果我們用一顆一顆粒子來解釋的話，就意味著有一個地方打開兩個粒子源中的任意一個粒子源的時候粒子能夠到達，但是同時打開粒子卻不能達到。

更進一步，這個實驗還可以這樣做：保證在整個實驗中每次僅有一個粒子，也就是一份能量，在整個實驗環境中。具體的做法大概來說是這樣，製備一個單光子光源，在這個光子的光路上放上分光的儀器使得這個光子可能走兩條路中的一條——例如放置一個雙縫或者一個偏振分束器。

這樣來做，這個實驗結果就更加不可思議了：空間中每次只有一個粒子，如果說不能到達某個一條路就能到達的點，也就是說，好像這兩條路上的光子影響了彼此，可是，真的僅僅有一個光子啊，自己和自己是怎麼影響怎麼抵消的呢？回到波的模型，可以把波看作是振動分成幾個部分傳播到不同的路徑上，將來再一次合起來，自然就可以相互抵消。可是，光子不能再一次分成更小的能量單位啊！

注意，把光看作幾率波的模型也不能解釋這個單光子干涉現象：要麼走路徑1，能夠到達；要麼走路徑2，還是能夠到達，則合起來就是能夠到達，絕對不會出現不能到達的情況，除非路徑1和路徑2的「幾率」是一個矢量，能夠想振動幅度一樣被加起來。

這裡最大的矛盾，或者說將來的出路，就在於：一方面，光子不能分成更小的單位，不能同時走很多條路徑，因此不能把不同路徑上的「振動幅度」像經典波一樣疊加起來；另一方面，在數學上，經典波的把來自於不同路徑上的同時傳播過來的波相互疊加起來，確實能夠描述實驗現象。

怎麼辦？難道我們需要一個在數學上滿足「波的疊加」的但是在物理上是一個個不可再分的小球的模型來理解光子的行為？一個個的小球怎麼會具有波呢？除了看作概率，就像前面的半透膜，可是概率解釋不了干涉，還可以看作波，怎麼可能呢？

實際上，光的心智模型正是這樣的滿足「波的疊加」的小球。有更多的實驗會提出來挑戰很大程度上說明，只有這樣的模型，才能夠解釋這些實驗現象。例如，這幾個實驗：

Feynman說過，只要你能夠明白雙縫干涉，那麼，你就明白了量子力學，並且如果你沒有被量子力學苦惱過，那麼，你就是不明白量子力學，更有你只要宣稱明白了量子力學，那麼，你就沒有明白。

學習量子力學主要就是為了搞清楚為什麼這個理論是這個樣子的，理解上的主要困難在哪裡，而不是僅僅學會怎麼算。就像Feynman在《QED：光和物質的奇妙理論》，《Feynman物理學第三卷》以及吳金閃的《二態系統的量子力學》裡面所強調的一樣。怎麼算，不好意思，你需要至少學習一個理論物理專業的碩士，甚至博士。

具體現象的知識固然有意義，但是，本文最大的目的是跟你一起從具體的科學現象的思考中體會什麼是科學，體會量子力學的神奇和困難之處。

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