微粒說

微粒說 (Corpuscular Theory)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

光波粒二象性的發展

自古以來，人們對於光一直懷抱著非常大的好奇心，關於光的本質究竟是什麼，早在十七世紀時已經被廣泛的討論，當時主要的學說有二，分別為牛頓所提出的微粒說，以及惠更斯集大成的波動說。

惠更斯 (Christiaan Huygens, 1629-1695) 在十七世紀時是位非常有名的物理學家，當時的他主要致力於望遠鏡的發展以及觀測，因此他對於光有非常詳盡的研究。他在 1690 年發表的著作《光論》(Treatise on light) 中提出了光的波動說，波動說的基本假設是光的傳遞速率是有限的，認為光是由波動的性質在空間中傳遞，在波前的每一個點都可以視為產生次波的點波源，而任何時候的波前則是這些次波的包絡。利用光的波動說，惠更斯可以成功解釋反射定律以及折射定律，但他因為只考量到次波往前方前進，所以無法成功解釋繞射現象。

依牛頓 (Isaac Newton, 1642-1727) 在 1675 年的《解釋光屬性的假說》(An Hypothesis explaining the Properties of Light) 中提出光的微粒說，他認為光是由一群非常細微而迅速移動的的粒子所組成，利用粒子的觀點，牛頓可以解釋光的反射定律、折射定律，原理非常的簡單易理解，但是在解釋繞射和干涉現象時，則比較牽強了一些，牛頓在 1704 年發表了他的著作《光學》(Opticks) 一書，解釋了有關光的各種現象（見圖一）。

圖一、牛頓在 1704 年發表的著作《光學》(Opticks)。 （圖片授權網址：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opticks.jpg#file）

直到十九世紀現代科學時期，1801 年楊氏 (Thomas Young, 1773-1829) 研究光的干涉與繞射，證明光的繞射遵守波的疊加原理，而這是微粒說無法預測的行為。1865 年，馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831-1879) 將電磁學的理論加以整合，他推導出電磁波的波動方程式，發現電磁波的波速符合實驗測得的光速，證明光是一種電磁波。1905 年，愛因斯坦 (Albert Einstein, 1879-1955) 發表光電效應，主張光由離散的粒子所組成，又稱為光子，此時他提出光的波粒二象性，認為光子兼具了粒子和波動性的性質，只是在不同狀況下觀察，光子會展現出不同面向，從此奠定了目前對於光本質的認知。（見圖二）

圖二、從不同的角度觀察同一件物體，將可能觀察到完全不同的特性。我們可以將此觀點拿來和光既具有波動性又有粒子性做比擬。（本文作者曾奕晴繪）

儘管在解釋光的各種現象時，微粒說都有許多不能被人理解、接受甚至是原理上有點牽強的地方，但因為十七世紀時牛頓的權威非常的大，微粒說一直到十八世紀都佔有主流的地位。

光微粒說內容

牛頓從 23 歲開始進行對光的研究，33 歲時從力學的觀點出發，建立了光的微粒說，認為光的本質是由光源射出的許多微粒所組成。以下是幾點微粒說的假設：光由非常微小且沒有質量的粒子所組成，且粒子之間並不交互作用，遵守完全彈性碰撞，且在同一的介質中，所有微粒都將以守恆的速度直線前進。

• 微粒說解釋光的反射

如圖三所示，可以將光束入射平面想像成無數的粒子打向平面，而這些微粒和介面將遵守完全彈性碰撞的原則，即入射角等於反射角，且因為介面的質量遠大於光微粒，所以光微粒的速度將不會改變。

圖三、利用微粒說解釋光的反射示意圖。（本文作者曾奕晴繪）

• 微粒說解釋光的折射

如圖四所示，當光束入射某些介面時，並不會產生完全彈性碰撞，而是介面對微粒會有一定的吸引力，產生垂直方向的加速度，微粒的鉛直方向速度加大、水平方向速度不變，造成在介質中的前進方向改變，且在介質中的光速大於在空氣中之光速。

圖四、利用微粒說解釋光的折射示意圖。（本文作者曾奕晴繪）

• 微粒說解釋光的繞射

牛頓認為有一種瀰漫在空間中的物質，稱為乙太，會和光微粒進行交互作用，當物質吸收光能之後，會震動附近的乙太而產生熱。又因為空間中乙太的分佈密度相差甚大，所以在介面上會產生不同的折射現象，稱為繞射。

• 微粒說的缺陷

1. 在解釋光的折射時，並無法說明為甚麼光在同一介面上會有部份反射、部份折射的情況發生。
2. 微粒說對於折射的解釋，推導出光在介質中的光速會比空氣中還快，但這並不符合後來的實驗結果。1862 年，傅科 (Jean Bernard Léon Foucault, 1819-1868) 利用旋轉多面鏡精確的測出光速，同時利用此法測出光速在水中會較慢，打破了牛頓的推導結果。

對於干涉、繞射的解釋過於牽強，且預測乙太的存在，但關於乙太的預測也在 1887 年的邁克生－莫立實驗 (Michelson–Morley experiment) 被打破，此實驗證實地球上並未觀察到乙太的存在。

參考文獻

1. Wave-particle duality — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Wave–particle_duality
2. 邱韻如。科學史上光概念的發展｜格物致知學習網站。http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/CGUWeb/SciKnow/PhyStory/OpticHistory.htm