沒有光，我們就無法看東西，更不會有天文學。那光到底是甚麼東西？這個問題困擾了科學家上千年的時間，有人說光是波動、也有人說光是粒子，究竟誰是誰非？本文將從歷史角度講述這個問題。
在公元前500年，恩培多克勒提出，光是由四大元素中的火所形成（四大元素：風、火、水、土），他認為我們之所於能看見物體，是由於從我們眼睛中湧出的光接觸到這些物體 ，情況就有如X-Men中的鐳射眼般，這個理論被後人稱為射視發射論。但這個理論受到了很大的質疑，其中歐幾里德問了一個很有意思的問題：為何我們張開眼睛即可見星星？當時的解答為：眼死光以極速傳播。這個答案看似很無聊，但我們已隱約看到了當時人們已認為光速十分快。
歐幾里德是一位偉大的數學家，他所著的《幾何完本》創立了歐氏幾何的基礎，到今天仍深深的影響著我們。而他亦將幾何學的概念引入光學中，開創出後世稱為幾何光學的學科，當中研究了光線的傳播路徑、折射與反射等表現。
時間轉眼跳到16世紀（公元5世紀至15世紀為歐洲黑暗時代，科學研究基本上完全停頓），光學、天文學等的研究又再次復興起來，而今次則是對光的本質進行了一場長達數百年的爭論。當時光粒子說和光波動說各有它們的支持者，雙方各自提出理據支持自己的學說，其中笛卡兒認為光是發光體引發在介質中傳播的機械波，又將光與聲音作類比。至於伽燊迪則認為光是由粒子組成，由發光體將光粒子向四周發射，而且由於是粒子的關係，傳送時無需傳播介質。
而牛頓亦認為光是粒子，理據為波動經過障礙物會有繞射，但光沒有。所謂繞射，是波動的一種特性，指一個波經過障礙物時傳播方向改變的現象。但當格里馬第在1665年首次觀察到光的繞射時，牛頓仍然為光粒子說護航，認為光粒子會在以太中產生局部波動(localized wave)，所以出現繞射現象。
其後惠更斯提出了自己的波動理論 ，他認為光在以太中以波動形式傳播，而光波可互相干涉，即兩個同調（或同源）的波相遇後會產生疊加或抵消的現象，引致出現一光一暗的排列，惠更斯進一步推論光是橫波，會出現偏振現象，即振動方向對於傳播方向的不對稱性，而在光的偏振面上，可以有各種偏振方向的光矢量，可以是線、橢圓或圓形。
光波動說的支持者提出了一系列的質疑，包括光為何折射、光為何走直線、薄膜為何呈彩色、為何光粒子不相撞等，有部份被有點牽強的理由解釋了，但更多的都是無法用光粒子說去解釋的，但光粒子說依照支配了當時的主流科學觀近百年時間，一個很主要的原因是牛頓作為當時皇家學會會長的權威。對於光是波動還是粒子的問題，權威的影響力似乎大於理論本身。
牛頓環－薄膜為何呈彩色？
楊示雙縫實驗
但到了18世紀，情況開始出現了變化。先有當時歐洲最聰明的學者之一歐拉提出光波動說能更簡單地解釋繞射現象，其後楊格成功製作雙縫實驗，展示光的干涉圖形，即楊示雙縫實驗，因為干涉現象是波動特有的性質，這個發現可謂對炵粒子說一個嚴重的打擊。而作為壓倒光粒子說的最後一根稻草的，竟然是來自一位光粒子說的支持者。
1817年一群光粒子說的支持者試圖作出最後掙扎，他們在法蘭西學院設立一個獎項給能夠解釋繞射現象的人，而當時一位參實者菲?耳(Fresnel)提出結合惠更斯原理及楊氏干涉原理解釋繞射，作為評審之一的泊松(Poisson)以他的理論總預測到泊松光點(Poisson spot)的出現。泊松光點是指光在通過障礙物後由於繞射現象會在障礙物的中心出現一個光點，根據光粒子說這是不可能出現的現象。但另一評審Arago得知有關泊松光點後立即設計實驗，而且成功觀測泊松光點，結果光粒子說的支持者泊松親手推翻了自己支持的理論 。
泊松光點
雖然得出了光是波動的結論，但對於光是甚麼波這個問題，當時的科學家仍然沒有頭緒。今天我們知道光是電磁波，但在當時人們根本不知道電磁波的存在，有關電和磁的研究也是分開進行的。直到奧斯特(Ørsted)在1820年無意中發現在通電電線旁的指南針會偏轉 ,而且無關中間有甚麼非磁物質，由此他發現了通電導線周圍存在磁場。
電磁感應
如果電可以生磁，那磁又可否生電呢？這個問題困擾了法拉第(Faraday)好一段日子。結果他在1831年終於找到了答案，他在一個圓形軟鐵環兩邊繞上A、B兩組線圈，在A組線圈同伏打電池接通或切斷的瞬間，B組線圈中會產生電流。後來他進一步簡化他的實驗，在一個空心紙筒上繞8個線圈，並將8個線圈並聯起來，再與一個電流計聯接，再在中間插入一根磁棒。每當磁棒插入或抽出紙筒時，指針又忽地轉向另一邊，然後很快又回到平衡位置，他稱這個現象為感生(induction)。
真空情況下的麥克斯韋方程
結合奧斯特和法拉第的發現，麥克斯韋(Maxwell)以一組方程，統合所有電磁現象，通稱麥克斯韋方程，並解釋了電生磁和磁生電的機理：磁場是由移動的電荷(電流)產生，變化的磁場也可以引起電場，但磁本身並不能產生電，只有運動的磁才能生電；而且他成功預測了電磁波的存在。更進一步，麥克斯韋以他的方程式組推導出電磁波的速度為310,740 km/s，這與當是光速的測量值非常接近，結果麥克斯韋提出一個結論：光就是電磁波！
編寫：蔣善恆
本文首次發表於本會會訊：2011年9月號
