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2020-02-01光之物語─光的身世之謎
602 期
Author 作者
口述 秦一男∕淡江大學物理系助理教授。 撰稿 謝育哲∕本刊編輯。
身世坎坷的光─到底是粒子還是波？
關於光的研究，最早可追溯到西元前6 世紀的古印度。當時的人們認為光是組成萬物的元素，不過古印度人卻沒有對光本身做出更多的解釋及研究。而到了古希臘時期，歐幾里得（Euclid）的著作《光學》（Optica）則對光有初步的性質研究，他利用幾何方式闡述視覺現象，但依舊沒有說明光到底是什麼。
牛頓說光是粒子
時間來到17世紀，牛頓（Isaac Newton）是粒子說的倡議者。當代的人們已知光有反射、折射與繞射等現象，而牛頓所提的粒子假說則可以解釋反射與折射等現象。不過他卻沒有提到組成光的「粒子」到底是什麼東西，或許牛頓本人也沒想過這種粒子應該是什麼形式。由於當代尚未有原子、電子與質子等微觀粒子的觀念，因此牛頓的粒子說也只是一種便於解釋光反射與折射現象的假說與想法。
虎克覺得光是波
17世紀同期，英國科學家虎克（Robert Hooke）發表了光波動說。他認為光是一種波，但由於當時人們對於光的理解僅止於反射與折射等現象，也認為相對起波動說，粒子說比較能解釋折射現象，因此牛頓的粒子說占了上風。
物理學的研究中，同一個現象可以有不同的假設或推論方式，科學家們便可以透過進一步的實驗或觀測來驗證哪個假設才是正確的。以折射現象為例，不論是粒子或波其實都可以說得通，差異在於，如果光是粒子，粒子在介質中的運動速度會比真空中快，而波動說則相反。 所以到底孰對孰錯呢？很可惜，礙於17 世紀的科技水準，就算做實驗也難以區別到底光在介質中運行的速度是變快還是變慢。因此在近代物理出現之前，人們還是搞不清楚光的本質到底是什麼，只能藉由當時其它的實驗結果選擇出較符合的假設。
1678年，荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens） 所著作的《光論》（Treatise on light）中再次提及光是一種波，同時也提出乙太（aether）作為光介質的想法。由於光的繞射性質無法以粒子說解釋，而波動說則可順利描述繞射現象。到了18 世紀，楊氏（Thomas Young）的雙狹縫實驗（double-slit experiment）成為波動說最有力的證據。自此之後，一直到19世紀，人們逐漸相信光是一種波動現象。
站在巨人的肩膀上！ 牛頓其實很尖酸刻薄
想必大部分的讀者都聽過牛頓的名言：「如果我能看得更遠，那是因為我站在巨人的肩膀上。」這句話被後世錯誤地解讀為牛頓對於科學研究的謙虛，並無限上綱成為偉大的金句。
但事實上，這句話出自於牛頓寫給虎克的信件。眾所皆知，牛頓與虎克兩人幾乎水火不容，早就互看對方不順眼很久了（文人相輕的典型代表）。由於虎克本人身形較為矮小、體弱多病，因此牛頓在信件中，刻意以「巨人」為譬喻，諷刺虎克的身形與弱點。（足見牛頓如果生於現代，肯定比鍵盤酸民還可怕。）
所以這句話證明了牛頓尖酸刻薄的為人，他或許並非見不得人好，但就是愛逞口舌之快，嘴賤的功夫不亞於檯面上所有的偉大科學家。因此讀者在學習名人功績或閱讀偉人傳記時，不妨跳脫故事所帶給讀者的偉大情操與偶像包袱，試著了解偉人其實也只是一介凡人，他們都有世俗的一面，而不是超脫一切的聖人。
馬可士威表示：光的研究，哥給你指點迷津
19 世紀，馬克士威（James Clerk Maxwell）提出了驚天動地的馬克士威方程組（Maxwell's equations）， 由於本刊為科普雜誌，而不是物理教科書，因此筆者並不打算贅述此方程組的內容，簡單來說，馬克士威方程組的四條方程式能成功解釋電場與磁場等電磁波的特性與關係。
老闆，我說要買一道光，你卻賣我電磁學幹嘛？
電磁學與光學看似八竿子打不著，但這絕非答非所問。事實上，在馬克士威的方程組中，會發現其中有兩個常數：真空介電係數ε0 與真空磁導率μ0〔註一〕，而兩常數在當時已可藉由實驗測量得知。馬克士威的理論不僅能解釋已知的電磁學現象，還能預測電磁波的存在。更重要的是，這個電磁波的傳遞速度應該是√(1/μ0ε0)，將數值代入後，竟然非常接近當時所量到的光速〔註二〕，因此他大膽地假設：光就是電磁波啦！後來，德國物理學家赫茲（Heinrich Hertz）的實驗也成功證明馬克士威對於電磁波的假設。至此，光是電磁波的說法似乎已能解決所有關於光的問題了。
所以光真的就是波嗎？波動的介質又是什麼？
由於光是電磁波的想法在19 世紀大行其道，因此物理學家為了再解釋光波動的特性，再次導入乙太〔註三〕作為光波的介質假設。由於「波動」本身即是介質的一種運動方式，例如水波是水的上下運動；聲波是空氣的振動，因此光波勢必要是某一種介質的振動。
不過由於光的特性，乙太需具有以下令人匪夷所思，甚至難以理解與想像的特質：首先，由於光無所不在，哪怕是在最昏暗的洞穴深處中，打開手電筒也立刻會有光出現，因此乙太也必須無所不在，不然光可能會有傳遞上的困難（讀者可以想像成手電筒的光束走到一半就消失的窘境）；第二，由於地球一直在運轉，身處其中的人們似乎也感受不到乙太的阻力，所以乙太必須毫無黏滯性；第三，由於地球與乙太碰撞時完全無法感受它的存在，對此乙太必須是理想鋼體（rigid body），同時密度也不能太大，不然在碰撞過程會造成能量消耗。上述的假設性質對於現代科學來說或許是毫無道理，甚至荒謬，但讀者必須理解，在100 多年前的科學界並未有現代科學的背景知識，物理學家只能對現有的觀測進行解釋。
由於馬克士威的電磁理論中，找不到任何一項關於介質的描述，再加上後續尋找乙太的邁克生－莫雷實驗（Michelson–Morley experiment）的失敗，幾乎宣告乙太的死刑。最後，愛因斯坦在狹義相對論（special relativity）中摒棄乙太的想法。
其實光同時是波也是粒子
1887 年， 赫茲在實驗時偶然發現了光電效應（photoelectric effect），他利用紫外光照射金屬電極時，金屬電極會產生電流。這看似一件毫無關聯的意外，卻引發了後續光學研究的大波瀾。由於此現象無法以光波學說解釋，於是物理學家則開始尋找光電效應背後的原理。
同時間，普朗克（Max Planck）在研究黑體輻射（blackbody radiation）時，提出全新的想法。他認為任何系統所吸收或發出頻率為v 的電磁波，自身的能量E 為光的頻率v 乘以普朗克常數h，即著名的光電效應方程式：E = hv，並提出光的能量是具有最小能量單位的光量子，成為物理學中「量子（quantum）」概念的濫觴。由於19 世紀物理學家普遍認為光屬於電磁波，而電磁波能量是連續的，但光量子的能量卻是不連續的，與過去的理論大相逕庭。因此光量子概念，本質上撼動了古典物理學的認知。
雖然如此，普朗克當時其實仍未放棄光是電磁波的想法，對他而言，光量子的說法也僅止用於解釋黑體輻射的問題。但後續愛因斯坦將赫茲的光電效應與普朗克的光量子想法結合，提出光子（photon）的說法。他認為光子同時具有粒子與波動兩種性質，也就是眾所周知的「波粒二象性（wave-particle duality）」。對此，普朗克在提名推薦愛因斯坦成為普魯士科學院（Preußische Akademie der Wissenschaften）院士時曾說：「雖然他（愛因斯坦）在某些假設（光子學說）可能過分了一點，但仍瑕不掩瑜，好的科學本質上就是需要大膽的假設。」不過，愛因斯坦直到過世前，都不太能夠接受量子物理的想法，雖然身為開啟量子研究的先驅，但他仍對量子感到疑惑與恐懼。愛因斯坦在過世前寄給好友貝索（Michele Angelo Besso）的信件中提到：「多年來的思索，使我依舊無法找出這個問題的答案：光量子到底是什麼？」而愛因斯坦對於量子物理的不安是後話了，有機會再向讀者訴說這段故事。
終於揭開身世的光
光的研究歷程一路到了光子學說可說是塵埃落定，後續也啟發德布羅伊（Louis de Broglie）的物質波理論（matter wave）〔註四〕及海森堡（Werner Heisenberg）的測不準原理（uncertainty principle）等研究。但物理學的研究本身就是沒有盡頭的，19世紀時的物理界普遍認為，當時的物理研究已達顛峰，剩下的就只是修正某些物理常數的測量準確度罷了。但故事的結局大家都知道，赫茲、馬克士威甚至是愛因斯坦等人，不斷挑戰及翻新物理界的思維，造就現今人們對自然的認知。
〔註一〕真空介電係數ε0的量值為8.8541878128×10-12F．m-1；真空磁導率μ0的量值為1.25663706212×10-6 H/m。
〔註二〕光速c為299792458 m／s，人們常使用近似值3×108 m／s 或秒速30萬公里。
〔註三〕乙太作為光介質的想法於17~18世紀大行其道，但由於當時大眾比較相信粒子說，再加上追尋乙太的實驗紛紛鎩羽而歸，因此乙太的想法後來漸漸被拋棄。但19世紀光是電磁波的發現，又讓波動說再次占上風，乙太的想法又死灰復燃。
〔註四〕德布羅伊認為，除了光之外，物質也具有波粒二象性。