有趣之光學歷史--光的特性(Optics)

究竟光是以「粒子」狀態存在，還是「波動」狀態存在呢? 這其實這是一件非常有趣且非常特別的故事。

首先，我們先來討論波動的形態。我們知道水波、聲波都很容易出現在我們的日常生活中。水波的產生可以藉由水、液體等介質產生並且傳播。而聲波的傳遞卻是藉由空氣傳播。你必須知道，還好聲波是需要介質才可以聽到聲音，否則地球以外的宇宙如果每分每秒都有隕石撞擊所發出來的巨響，那我們還真的受不了。

因此，既然波動的存在需要由介質才有可能發生，難道光的傳輸也是藉由某種介質，而發生傳遞的嗎? 如果光是由藉由空氣或液體傳遞，為何太陽光在傳遞到地球過程中，宇宙真空狀態還有某種東西存在，只是我們不知道嗎? 所以光究竟是不是一種波，以及這種光波到底是不是藉由某種物質來傳遞，成了以前科學家們一直很頭疼的問題。

有一些科學家因為一直百思不得其解，所以選擇提出一些光的定理，例如: 偉大的科學家牛頓則提出光是一種粒子型態產生。牛頓認為光是由非常微小的粒子所組成，而且速度極快，可以穿透明物質，若遇到不明物體還會反射或折射。牛頓認為光以粒子的形態出現，會呈直線前進，而且快速飛過。若光束交會時，因為粒子的體積極小，彼此也不會受到任何影響。再來，光有多種顏色，即因為光粒子有多種不同顏色。最後是光經過碰撞後，速度不會改變，原因是因為光粒子是完全的彈性體。

但是，妳必須知道，其實牛頓這些假設並不完全正確。這些光的粒子說，一直被1803年Thomas Young的光干涉理論完全推翻。所以，我必須明白的告訴你。因為，牛頓過去在力學方面提出的卓越貢獻，讓世人稱羨不已。但也因為如此，牛頓的光粒子說在Thomas Young提出光干涉理論之前就喧騰了100多年之久。只是，偉大的牛頓真的錯了嗎? 難道光的粒子說從此消失了嗎?

既然，光已不是粒子說的理論被證實，那光很有可能是波動的形態產生，只是以目前的科學技術，無法量測出這種介質的存在嗎? 果然，在光不是以粒子說的理論出現後，部分科學家們突發奇想，提出一種很特別的介質--「Etheric」。

Etheric中文稱「乙太」。是由希臘哲學家想出來的一種物質。在17世紀時，用來解釋光的傳遞現象。科學家們認為光可以通過任何物質，完全是藉由乙太來傳遞，而乙太的存在是無所不在、不佔有空間也不具有質量，更重要的是乙太是絕對靜止。

妳能想像嗎? 這個乙太最後由1887年Albort A. Michelson及Edward W Moley證實，世界上根本沒有乙太。不過，跟你說個小故事，當初Albort A. Michelson及Edward W Moley一直相信有乙太的存在，而且也一直從事這方面的研究，可是就是怎麼量、怎麼測，都量測不出來。最後只有宣告實驗失敗。這一個失敗改變了過去乙太從提出來長達400年之久的概念，科學家們最後明白，當初乙太這個莫名奇妙的物質，一直以來都不存在。你也可以想想「失敗為成功之母」這句話，恰好印證在Albort A. Michelson及Edward W Moley這兩個人身上。

最後，科學家們只有接受一個答案，一個給光既不是粒子也不是波動，而是一種「特殊的波」，一種不需要介質且能傳遞的波。這個答案是妳我都必須接受的答案。除非你能想出更特別且更合理的答案來形容光的傳遞性質。但是，光不是「特殊的粒子」有些科學家們也很不認同，畢竟在某些物理現象，還是很符合光的粒子說概念。

所以，光是一種特殊的波理論成形後，很多人不服氣，認為問題根本沒有得到合理且滿意的答案。終於，近世紀最偉大的科學家Albort Einstein於1905年發表On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light的論文，提出光量子的觀念，清楚解釋光電效應理論，確立了光的粒子說概念。也因為光電效應理論的提出，Albort Einstein於1921年獲得諾貝爾物理獎。

總結，妳聽到了這麼多，到底光是粒子還是波動形態出現呢? 相信你心中應該有些想法。不論光是粒子還是波動形態的出現，光都同時具有這兩種特性。在某些情況下，光可以用波動的特性加以描述，而粒子的特性就會逐漸消失。相反的，以光電效應而言的粒子說，則波動的特性就無法支持。因此，光是波動，也是粒子，兩者可完全依不同情況下去加以解釋。