自从我们睁开眼睛，在摇篮里感受到光明的世界，我们就再也离不开“光”这个神奇的东西了。它真的很神奇，既不是固体光子说物理学家，也不是液体，更不是气体，既不能拿来玩，也不能吃。古往今来，人们对“光”都有一种莫名的崇拜之情。辉煌、明亮、风景、春天等等词汇，都是对人或事物的极度赞美。而玩家对电脑性能的追求，难道不能看成是对光的追逐过程吗？
对于大多数人来说，对光的理解非常有限。例如，为什么我们在晒太阳时会感觉热？光是如何触发我们的视觉的？为什么光有不同的颜色？光是一种物质吗？能回答这些问题的人可能很少。事实上，光的本质从古至今一直困扰着所有的物理学家，科学家对光的理解也历经曲折。
科学家对光的理解：粒子还是波？
第一个系统的光理论是1690年惠更斯的《光论》，认为光是光源发出的机械波。不久之后，牛顿在1704年发表了《光学》，提出了完全不同的理论，此时距他提出万有引力定律、建立整个经典力学已过去17年。牛顿力学至今仍是大部分物理学的基础，但牛顿的光学体系早已支离破碎，可见理解光是多么困难。牛顿认为光是从光源出发的一股弹性粒子流，以高速沿直线运动，这些粒子就像一颗颗小弹珠，不同的弹珠颜色不同，它们携带能量，因此持续受光照射会产生热量。
牛顿和惠更斯关于粒子和波的争论
但是牛顿的理论几乎没有任何证据，他最有力的证据就是他是伦敦皇家学会的会长。但是科学从不相信权威，后来的实验发现光具有和水波非常相似的性质，惠更斯的波动理论也因此而流行起来。但是，牛顿终究还是牛顿，沉寂了201年之后，他的粒子理论在1905年被爱因斯坦提出来，成功解释了光电效应，并因此获得了诺贝尔物理学奖。没错，爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖并不是因为相对论，而是因为光的粒子理论！牛顿的棺材要塌了吗？你还是没明白我两百年前说的话。
概括起来，人们对于光的认识经历了几个阶段：
1、惠更斯和牛顿先后提出两种理论，但都没有充分的证据，由于牛顿是第一代理论家，粒子理论占据了主流；（牛顿发现的棱镜色散现象，证明了白光是由七种单色光组成的，两种理论都可以解释。）
分散的粒子解释
色散的波动解释
2、直到1801年，一个叫杨的人做了一个实验，证明了光是一种波，波动说才再次盛行起来；（这是后面要讲的重点）
3、1864年，麦克斯韦方程组发表，预测光是电磁波，虽然与惠更斯所描述的机械波不同，但波动说的地位较难撼动；
电磁波
4. 1887年，赫兹发现光电效应，但无法用波动论解释。1905年，爱因斯坦提出光子论，从量子的角度解释了光电效应。（光电效应：当光照射到金属板上时，金属板中的电子会被击出，这些电子称为光电子。下图中，金属板接上验电器，可以检测到逃逸的电子数量。）
光电效应
5.1923年，德布罗意提出物质波的概念，认为一切物质都对应着一种波，标志着“波粒二象性”概念的确立，即光既是粒子，又是波。
探索光的本质
接下来，我们来沿着历史物理学家的脚步，探索一下什么是光。
要了解光的本质，首先要了解什么是波。日常生活中我们经常看到波浪，比如水波和绳索摆动产生的波浪，就像这样：
水波
绳索中的波浪
这些波都是机械波，它们在介质中传播，比如水是靠单个水分子来传递这种振荡，绳子的每个粒子拉着靠近它的绳子来传播波；起初光的波动说也认为光是机械波，在“以太”中传播，而麦克斯韦预言光是电磁波，是电场和磁场的交替变化，不需要介质，可以在真空中传播。1887年，迈克尔逊和莫雷证明宇宙中根本不存在“以太”，证实了麦克斯韦的预言（是的，也是在这一年发现了光电效应，波动说无法解释）。
但不管是机械波还是电磁波，既然都被称为波光子说物理学家，那一定有一个共性，也就是波的本质——干涉叠加。想象一下，绳子里有两束传播方向相反的波，会是这样的：
波的叠加
红色和蓝色代表两个独立的波，它们的振幅以代数方式相加，而黑色代表绳索的实际振动。两个或多个独立波在空间相遇时的叠加称为干涉。
在介绍杨先生的实验之前，我们先来了解一下波的另一个特性，那就是衍射。衍射就是波绕过障碍物继续传播的现象。生活中最常见的衍射就是水波的衍射。水波经过狭缝之后，会是这样的：
宽缝衍射
狭缝衍射
狭缝宽度越窄，衍射效应越明显。
是不是稍微开一下窗户，就会很吵，但是关上窗户，就立刻安静了呢？这完全是由于声波的衍射作用。声波的波长一般在零点几米到十几米之间，门缝的宽度一厘米，相对于波长来说很小，所以衍射效应就很明显。我们的收音机、手机信号，也需要通过衍射才能传到手机里，如果你处在一个封闭的或者偏僻的角落，信号就会很差。
然而光的波长只有几百纳米，非常小，门缝对它来说太宽了。因此，我们一般说光是直线传播的，也就是说它不会发生衍射。1801 年，托马斯·杨巧妙地设计了一个实验，让一束相干光穿过两个非常小的缝隙。如果光是波，它应该像水波一样发生干涉：
水波干扰
如果光是粒子的话，那应该就像子弹枪一样（一支子弹枪发射出去，如果只开了一个洞，那么子弹在墙上的分布应该像P1，两个洞也是一样，如果两个洞都开，那么毫无疑问子弹在墙上的分布就是P=P1+P2）：
事实上，光的行为就像水波。杨氏双缝干涉的结果是这样的：
杨氏双缝干涉
光线通过双缝后，并不是照亮整个屏幕，而是产生了明暗条纹。这充分说明光是波，不是粒子！托马斯·杨说：“虽然我敬佩牛顿的名字，但我并不认为他是绝对正确的。我遗憾地看到他也会犯错误，他的权威有时甚至会阻碍科学的进步。”几十年后，麦克斯韦方程告诉我们，光是一种电磁波，由于变化的电场和变化的磁场的相互激发而在真空中传播，这彻底解释了光的波动性的物理基础。
光是波，这似乎已是毋庸置疑的事实。但很快，形势就突变了。赫兹的光电效应无法用麦克斯韦方程组来解释。光电效应的奇怪现象是，如果增加入射光的强度，逃逸的光电子的速度不会增加，而只会增加数量。似乎每个电子都有自己的配额，注入的能量越多，受益的电子就越多，但每个电子并没有获得更多的能量。波动理论无法解释这一现象，物理学再次陷入困境。
1905年，26岁的爱因斯坦（那时他的孩子已经两岁了）连续发表了五篇论文，3月，他以一篇论文解决了光电效应，并因此获得诺贝尔奖，4月，他又以一篇论文获得博士学位，5月，他又以一篇论文创立了狭义相对论。这难道不是坑爹吗？光电效应的解释是：光是一种粒子（光子），每个光子都有特定的能量值，这个能量值只与光子的频率有关（光子的频率从何而来？其实就是指光子对应的电磁波的频率，为日后的波粒二象性奠定了基础）。
光电效应中，每个电子只吸收一个光子，所以当光强度增加时，实际上光中的光子数量增加了，于是发射出更多的光电子，但每个光电子获得的能量不变，速度不增加；如果改变入射光的频率，就相当于改变每个光子的能量，频率越高，光子能量越大，如果光子能量太小（频率低于阈值），光电子就不能被激发，光电效应就会消失，这与实验现象是一致的。所以我们平时看到的火焰，蓝色光子频率高，所以温度也高，红色、黄色的就不好，做饭要用蓝色外焰。
看来波动论和粒子论各有各的道理，有时候用波动论来解释粒子论解决不了的问题，用粒子论来弥补波动论解释不了的问题，这还能行吗？
20世纪以前的物理学家研究的是力学、热力学、电学、光学，但20世纪的物理学家全都研究量子力学。1927年第五次索尔维会议的合影（下图）被认为是最天才的照片。29人中有17人获得了诺贝尔物理学奖（当然，居里夫人也获得了化学奖）。索尔维会议是把世界上最聪明的科学家聚集在一起讨论量子力学，因为没有人能理解量子力学。
1927 年索尔威尔会议：杰出的科学家阵容
量子力学的出现，始于1900年普朗克的量子假说，1905年爱因斯坦引入光子。1923年，德布罗意说：每一个物体都对应着一种波，每一个物体都具有波粒二象性。我们先来看1961年被世界评为物理学史上最美丽的实验的电子干涉实验。它的美妙之处在于，用电子就能产生和杨氏干涉一样的结果（就像之前的子弹枪，这次用的是电子枪来射击）：
电子干扰
这说明电子和光一样，可以表现出不同于乒乓球、与水波相同的干涉叠加性质。这证明了德布罗意的说法，我们有理由相信任何物体都具有波动性。什么？子弹枪实验为什么没有波动性？其实，根据德布罗意给出的计算公式，对于子弹来说，波长非常短，干涉条纹变得非常细，细到人用任何探测器都无法分辨。我们看到的子弹分布，只是干涉的一个平均值（下图右）。
你必须承认，我说的好像很有道理，但我还是不太相信。一切物质都对应着一种波？那是什么意思？德布罗意自己也想不通。1926年，马克斯·玻恩提出了一种统计解释，认为这种波是一种概率波，即一个粒子出现在空间某个位置的概率，因此大量的电子或光子能够体现出波动性，它们出现在不同位置的概率，有的位置高，有的位置低，呈现出干涉图样。
后来人们可以控制光子一个一个地发射，每个光子经过双缝后，都会打到接收屏的某个位置，这是真正的粒子性质。但每次发射光子，光子最后到达的位置都是不一样的。如果一个一个地发射出很多光子，它们就会按照统计概率分布在屏幕上，形成干涉图样（单光子干涉）。少数光子往往体现粒子性质，而大量光子则体现波动性质。
光是物质。它携带能量。它既是波又是粒子。
生活中没有什么事情不能解释，只要我们站在粒子和波的角度去思考。听完故事，学了知识，你能解释一下什么是光吗？来，我们来划重点。1801年杨氏干涉实验证明光是波，1905年爱因斯坦光电效应证明光是光子，1961年电子干涉实验证明一切物质都是波又是粒子，这就是所谓的波粒二象性。
现在明白什么是光了吧？现在再想想开头提出的问题。为什么在太阳下会感觉热？因为光子携带能量，因为电磁波传递能量。光是如何引起我们视觉的？因为光子打到我们的视网膜上，因为电磁场的振荡引起视神经的反应。为什么光会有不同的颜色？因为不同频率的光子携带的能量不同，电磁场的振荡速度也不同，引起视神经不同的感觉。光是物质吗？没错留学之路，光有能量，有动量，当它照射到目标上时，会产生压力，这种压力就叫光压。小编未来的研究方向，就是用光压带动其他粒子加速。