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。

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。