光的二象性

光的二象性（dualistic nature of light）是指光既有波動的性質又有粒子的性質，也即光同時具有波動性與粒子性的本性。關於光的本性，17世紀後期有兩種學說：一種是以牛頓為代表的微粒說，認為光是微粒流；另一種是以惠更斯為代表的波動說，認為光是波動。光究竟是什麼只能由實驗來判斷。19世紀光的干涉和衍射實驗顯示光有波動性，光的偏振實驗進一步顯示光具有橫波的性質。後來麥克斯韋的電磁理論和赫茲實驗表明，光是電磁波。另一方面，其後黑體輻射、光電效應和康普頓效應等實驗又表明，光具有微粒性。20世紀初，愛因斯坦將光的不能再分割的能量子取名為光量子，現在稱為光子。綜合來看，光具有波粒二象性。

基本介紹

• 中文名：光的二象性
• 外文名：dualistic nature of light
• 別名：波粒二象性
• 特徵：同時具有波動性與粒子性的本性
• 提出人：阿爾伯特·愛因斯坦

概念說明

光的二象性是用習慣的巨觀概念看待光的結果，認為光波就像看到的水面上的波浪那樣，而光子就像看到的空中飛行的子彈那樣。實際上並非如此。以單色光的雙狹縫干涉實驗為例，通常情況下螢幕上呈現的干涉圖樣與波動說的計算結果符合。但在光源的光強非常微弱的情況下差別就被顯示了出來。根據波動說，光源的光強逐漸減小時，干涉圖樣應按比例逐漸變暗，而它的幾何形狀則不變。但實驗結果卻不是這樣。這時由於光非常弱，改用光電倍增管代替螢幕來接收光，可探測到單個光子。實驗顯示，光逐漸變弱時干涉圖樣逐漸消失，代之出現的是一個個到達的光子，到達原亮紋處的光子多些，到達原暗紋處的光子少些或沒有。統計結果表明，光子的空間分布與原來的干涉圖樣符合。由此可見，光波並不像是水面上的波動，也不像空中飛行的子彈，因為子彈不可能發生干涉現象。
量子電動力學解決了光的二象性的矛盾。量子電動力學認為光是由光子組成的，光子是微觀世界的客體。光子具有粒子的性質，但與巨觀世界裡飛行的子彈不同，光子從一點到另一點並不是沿一條軌道走，而是同時沿各種可能的路徑走，每一條路徑都有一定的機率。如雙狹縫干涉實驗，每個光子都有一定的機率同時通過兩個狹縫，這樣才能產生干涉圖樣；如果能設法探測出每個光子所經過的是哪個狹縫，就不會出現干涉圖樣。對於光子只能計算出它的機率（如走某條路徑的機率、到達某個地點的機率等），而不能知道更多的細節。

理論詮釋

在人們探索光的本性的過程中，牛頓曾假設光由粒子所組成，惠更斯則認為光是波動。現今所說的二象性不是這些樸素思想的簡單結合。光的波動性指光是電磁波，粒子性則指光的量子性。這兩種性質通過光子的能量與動量的公式聯繫著（見光的量子理論、光的電磁理論），然而又相互矛盾，不能歸結為一種屬性。於是說二象性是光的本性。
波動性與量子性的矛盾從下面的簡單分析即可看出。當認為光是由光子組成時，就無從引入位相概念，因而無法解釋光的干涉、光的衍射等波動現象。反之，假如從波動性出發，則必然認為光能是連續分布於空間的。這樣光與電子的相互作用就不是量子化的，因而也無從解釋光電效應、康普頓效應等。
有一種說法，光在傳播過程中表現出波動性，在與物質相互作用時表現出量子性，這是不確切的。人們可以通過特定的實驗分別觀察到光的波動性或量子性，但並不意味著此時另一種屬性就沒有了。事實上，當人們觀察光電效應時，光電子的角分布與入射光的偏振方向是有關的。另一方面，當人們在光的干涉實驗中把光的強度減弱到每一時刻只有一個光子射入，仍然觀察到光的干涉。這就意味著每一個光子是與它自己干涉。波動性是每一個光子的屬性。
光的二象性導致人們引進統計解釋。當人們觀察弱光干涉時，每個光子射到照相底片上形成一個斑點。經過長時間曝光後，許多斑點的分布形成有規則的圖像。這就是在光學中所說干涉強度的分布。因此，在考慮二象性以後，干涉強度分布代表光子照相底片上形成斑點的幾率分布。單個光子的波動性是通過這種統計規律表現出來的。
人們不能用簡單的圖像來表示光的二象性。但是可以建立起一套理論同時概括光的電磁理論和光的量子理論，這個理論叫量子電動力學（見波粒二象性）。