2020-02-01 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。

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（Maxwells 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。

〔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。