作者：游梦
欢迎进入官网体验使用：Mapmost——让人与机器联合创作成为新常态 说到PBR理论分为三大理论：物理光源、物理材质与物理相机，三者都与光有着千丝万缕的关系，原打算这期讲解物理材质，在梳理知识点时突发一个问题：光是什么？恰好我们研究的PBR系列都与光密不可分，所以小编查阅了一些关于古人对光的研究资料，感觉趣味横生，有持续300年的波粒大战以及神奇的双缝干涉实验，所以在这里分享给大家。
（光学研究时间线，图源：Mapmost制作）
早期对光的研究记载：
中国古代对光的色散现象有着悠久的认识历史，最早起源于对自然色散现象——虹的观察和记录。在殷代甲骨文中就有了关于虹的记载，战国时期《楚辞》中也将虹的颜色分为“五色”。这些早期的记载表明，古代中国人对虹的色彩现象有一定的观察和认知。
大约两千四百多年以前，约公元前468年～公元前376年，我国著名学者——墨翟（墨子）和他的学生，做成了世界上第一个小孔成像的实验，并完美的解释了小孔成像的原因，指出了光沿直线传播的性质。这是对光直线传播的第一次科学性的解释。
（小孔成像示意图，图源：百度安全验证）
墨子的发现不仅揭示了光沿直线传播的基本性质，还通过小孔成像实验直观地展示了这一原理，对光学知识的积累和传播起到了重要作用。而后欧几里德（约公元前330年—公元前275年）则在其著作《光学》中进一步发展了对光直线传播特性的理论阐述，并且首次给出了光反射定律的数学表述。
欧几里德在其著作《光学》中主要提出了以下几个论点：
1. 光的直线传播：欧几里德明确支持光沿直线传播的观点，这是光学理论的基础之一。他认识到光在均匀介质中不会发生偏折，而是沿着直线上下传播，这一观念为解释诸多光学现象提供了基础框架。
2. 反射定律：欧几里德详细阐述了光的反射现象，提出了入射角等于反射角的定律。即当光线在平滑表面（如镜子）上发生反射时，入射光线与法线（垂直于反射面的直线）之间的角度等于反射光线与同一法线之间的角度。这一几何定律是几何光学的核心内容之一，对后续反射光学器件的设计与分析具有重要意义。
3. 视觉机制的解释：欧几里德对人眼观察物体的机制提出了自己的解释，他认为视觉的产生是由于眼睛向外发出光线，这些光线遇到物体后反射回来，进入眼睛并被感知。这种“发射论”的视觉理论尽管与现代光学对视觉过程的理解（即光线进入眼睛而非由眼睛发出）存在显著差异，但它反映了当时人们对光与视觉关系的朴素认识，也是对早期视觉模型的一种尝试性构建。
欧几里德在《光学》中主要论及了光的直线传播、反射定律以及对视觉机制的解释这三个方面的内容。尽管他的某些观点在现代科学背景下已被修正，但这些工作在当时无疑为光学作为一门科学分支的发展奠定了坚实的基础，并对后续学者的研究产生了深远影响。
随后便是长达300的波粒斗争，围绕光是粒子还是波展开：
波粒大战论点：
- 以牛顿理论为核心的粒子说假定光是机械微粒，当进入不同密度介质时，介质会对微粒进行引力影响，从而产生折射现象；因此，微粒说假设光进入高密度介质时会受引力加速。
- 以惠更斯的理论发展的波动说，假设光是由介质振动引发传递的波，在真空中通过“以太”进行传播，同时波又不受引力影响，因此波动说假设认为当光进入高密度介质时，速度会衰减。
第一次波粒大战
（左牛顿，右胡克，来源：百度图片）
背景：
牛顿有一句名言：“如果说我看得更远，那是因为我站在巨人的肩上”，这句话很多人都理解成是牛顿的谦虚，并当作自己的座右铭，实际上这句话是牛顿曾写给胡克的一封信中的内容，是对胡克身材矮小的高级黑，关于他俩的恩怨可详见
【趣味物理】他是牛顿最痛恨的天才，发明显微镜发现细胞，却因嘴炮惨遭拉黑三百年
简介：
在 1660 年，牛顿的一生死敌胡克发表了他的光波动理论。他认为光线在一个名为发光以太的介质中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影响，他假设光会在进入高密度介质时减速。胡克的光波动理论是光的波动说的雏形。
1679年，惠更斯提出光的波动说，进一步支持光是一种波。
（图源：百度安全验证）
而与胡克死掐的牛顿则提出了相反的意见，他在法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上，根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于 1675 年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。
牛顿与胡克之争还没有进入白热化，这个时候，法国科学院的掌门人惠更斯插进来了，相比起胡克，惠更斯成名已久，德高望重，是科学界的前辈。而且身为法国科学院的掌门人，弟子众多。
在 1678 年，惠更斯在法国科学院的一次公开演讲中推翻了牛顿的光的微粒说，并在 1690 年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理，促进了光学研究的发展，由此掀起了第一次波粒大战。
两个人都有各自的支持者。惠更斯当时在数学、天文学、光学诸方面已多有建树，被荷兰人视为与大文豪斯宾诺莎齐名的国宝。牛顿更是不同凡响, 被英国尊奉为超级巨星、科坛泰斗。
两个人都想证明自己在光学上的扛把子地位，所以牛顿和惠更斯都力证自己的才是正确理论。
（图源：百度安全验证）
他们在各自的领域里已经有所建树, 而且他们的观点都能解释许多生活中人们常见的现象, 崇拜权威的心理使人们纷纷站队，所以导致了偏激的争执。后来这些支持者火上浇油，波粒之战达到了高潮，甚至在惠更斯去世之后也没有停止。
在惠更斯去世之后，牛顿出版巨著《光学》，这本著作汇聚了牛顿在剑桥三十年研究的心血，从粒子的角度，阐明了反射、折射、透镜成像、眼睛作用模式、光谱等方方面面的内容，他更从波动说中汲取养分，将波动说中的震动、周期等理论引入粒子论，全面完善补足了粒子学说。紧接着他将波动说无法解释的问题一一提出，并对惠更斯当年的《光论》加以驳斥。死人是没有办法反驳的，牛顿最终以一己之力，扭转了光学两大理论交锋局势，赢得了第一次波粒之战的胜利，此后的一个世纪，微粒说一直牢牢占据着光学研究的主流。
第二次波粒大战
1807 年，在波粒之战过去 103 年之后，著名的科学家托马斯·杨在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验，由此拉开了第二次波粒大战的序幕。
托马斯.杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，他突然产生了疑问“为什么会形成一明一暗的条纹呢？”他想：“用波来解释不是很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同向”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果；而暗的那些条纹，则一定是两道光正好处于“反向”，它们的波峰波谷相对，正好相互抵消了。“
为了验证这个想法，他立即进行了一系列实验，这便是著名的杨氏双缝干涉实验。就是把一个手电筒放在一张开了一个小孔的纸前边，然后在纸后边再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到墙壁上，就会形成一系列明、暗交替的条纹。
（图源：百度安全验证）
杨的实验结果给学界带来了很大的冲击，也极力地证明了惠更斯早年提出的光波动理论，然而，当时牛顿已经成为了权威，容不得质疑，科学界对于微粒说深信不疑。托马斯.杨遇到了和麦克斯韦一样的事情。他们对于杨的实验结果予以否认，并称之“荒谬绝伦”。
托马斯.杨遭受到了无与伦比的压力，他在双缝实验得出来的结论被无情封杀，据传只印刷了一本，还是自己自费印刷的，后来托马斯.杨宣布退出光学研究，转而研究考古学，当然在考古学他也作出了巨大的成就。
而托马斯·杨的双缝实验传到法国科学家，也引起了法国科学界的震动，但是法国科学院迷信牛顿的权威，认为托马斯·杨的实验是错的。
1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是利用精确的实验确定光线的衍射效应；二是根据实验，用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。
在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下，菲涅耳向科学院提交了应征论文。他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，在了惠更斯和托马斯·杨的波动说基础上，提出了惠更斯-菲涅耳原理。
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菲涅耳在惠更斯原理的基础上假设这些次波会彼此发生干涉，用这种观点来描述波的传播，可以解释波的衍射现象。特别地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理论的基础，并指出了衍射的实质是所有次波彼此相互干涉的结果。为了符合实验结果，他又添加了一些关于次波的相位与波幅的假定，从而给波为什么只会朝前面方向传播，而不会朝后面方向传播这问题给出一个定量的解释。
菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的有：波动说的热心支持者阿拉果；微粒说的支持者拉普拉斯、泊松和比奥；持中立态度的盖·吕萨克。菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。
泊松立马就跳出来反驳，根据菲涅耳的理论，应当能看到一种非常奇怪的现象：如果在光束的传播路径上，放置一块不透明的圆板，由于光在圆板边缘的衍射，在离圆板一定距离的地方，圆板阴影的中央应当出现一个亮斑。
泊松提出来的现象在当时来说，是非常不可思议的，可以说违背了当时人们的认知常识，所以泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。他信誓旦旦地宣称，他已驳倒了波动理论。
（图源：百度安全验证）
然而菲涅耳和阿拉果并没有放弃，立马接受了这个挑战，如果说菲涅尔的实验结果上，不透光圆板后面应该是一个暗斑，这就说明光具有粒子性，但是如果真出现了亮斑，就证明了光具有波动性。
他们立即用实验检验了这个理论预言，影子中心的确出现了一个亮斑。可以说非常精彩地证实了菲涅尔理论的结论，本来是为了彻底打倒波动说，结果却撼动了微粒说的权威地位。后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。
(图源：百度安全验证)
过了不久，菲涅耳又用复杂的的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。经过实验验证，果真如此，菲涅耳因此荣获了这一届的科学奖，可以说，泊松亮斑成了惠更斯－菲涅耳原理的最好佐证。
我们可以自己在家里那激光笔还有玻璃来做这个实验，在玻璃上用黑笔涂上一个圆形的阴影，将玻璃放置在白墙前方，你用激光笔照射这个阴影，那么在后面的白墙墙上，你用放大镜观察就会发现在暗斑中间会有一个亮斑，这就是泊松亮斑。
（图源：百度安全验证）
泊松无形之中为菲涅尔助攻了一把，菲涅尔的理论成为了第二次波粒战争的决定性事件。后来傅科和赫兹的实验则直接推翻了牛顿的微粒说权威地位，获得了第二次波粒大战的终极胜利。
1819 年 5 月 6 日，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告：他发现水中的光速要小于真空中的光速，后者只有前者的 3/4.。因为根据微粒理论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度应该比真空中要慢才对。
第二次波粒大战，以微粒说的失败而告终！后来，可以比肩牛顿的天才物理学家麦克斯韦横空出世，统一了整个电磁学王国，提出了令所有科学家心醉的麦克斯韦方程组，并指出光只是电磁波的一种。
1887年，赫兹更是用实验证明了“电磁波”的存在，并精确计算出电磁波的速度等于30万公里/秒，与麦克斯韦的理论完全符合。背靠电磁学理论这棵参天巨树，波动说的地位似乎已经无人能够撼动！
第三次波粒大战
而第三次波粒大战就要涉及到玻尔与爱因斯坦了，当然，这次论战，并不是他们两个人开打的，而是他们手下的大将海森堡与薛定谔。
这次论战还是还是起源于杨的双缝实验，不过爱因斯坦得出了不一样的结果，当你降低光的强度，直到每次只有一个光子进入整个实验装置时，奇异之旅就开始了。1905 年，爱因斯坦已经明确提出，单个光子是一个粒子。由此爱因斯坦提出的光量子理论，解释了光电效应，并因此获得了诺贝尔奖。
（双缝干涉实验，图源：百度安全验证）
直到德布罗意在1924 年提出了“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，1927年，C . J . 戴维孙和 L . H . 革、G . P. 汤姆孙和A.里德分别用实验证实了德布罗意理论的正确性，从而彻底终结了波粒大战。
在爱因斯坦提出光量子理论之后，大家发现杨的实验结果也并没有错，这个时候人们开始意识到光波可能同时具有波和粒子的双重性质。
那时，哥本哈根学派的掌门人波尔( Bohr ) , 克莱默（ Kramers )还有斯雷特( Slater )发表了一个 BKS 理论提出 "波子" 及 "机率波" 模型，尝试说明光的二重性，并用统计方法重新解释能量及质量守恒。
可惜这个 BKS 理论大错特错，不过玻尔提出的原子模型也站在了粒子这边。玻尔与爱因斯坦这对掀起 20 世纪最大规模论战的老对手居然罕见的意见相同。
（图源：百度安全验证）
而这个时候第三次波粒大战的主人公海森堡出场了，在当时物理学的研究对象应该只是能够被观察到被实践到的事物，物理学只能从这些东西出发，而不是建立在观察不到或者纯粹是推论的事物上。也就是物理学的研究领域还只处于宏观领域，而不涉及微光领域。
而海森堡却并不甘心将自己的研究停滞在宏观领域，从而提出了矩阵力学，认为电子是量子化的，像粒子一样在不同轨道上跃迁。
薛定谔从经典力学的哈密顿-雅可比方程（使用分析力学中求解动力学问题的一个方程）出发，利用变分法（一种求解边界值问题的方法）和德布罗意方程，最后求出了一个非相对论的方程，用希腊字母ψ来=带表波的函数，最终形式是：
（图源：百度安全验证）
这就是名震 20 世纪物理史的薛定谔波动方程。认为电子是一种波，就像云彩一般（电子云说法的由来），放大来看后，就好像在空间里融化开来，变成无数振动的叠加，平常表现出量子的状态，是因为它蜷缩的太过厉害，看起来就像一个小球。函数ψ就是电子电荷在空间中的实际分布。
（薛定谔方程，图源：百度安全验证）
两个人将波粒之争深入到了微观领域，可以说进入了白热化的程度。海森堡撰写的矩阵力学论文，由于计算方式太奇怪，被人纷纷的改写成“共轭”的波动方程形式。
郁闷的海森堡后来提出了著名的不确定原理来论证他的观点，什么意思呢？给定全部条件？这个前提本身都是不可能的，给定了其中一部分条件，另一部分条件就变得非常的模糊。可以说来了一波实力反击。
玻尔也出来和稀泥了，他说：“电子的真身，或者电子的原型？本来面目？都是毫无意义的单词，对我们来说，唯一知道的只是我们每次看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性，又看到电子呈波动性，那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我们无需去关心它“本来”是什么，也无需担心大自然“本来”是什么，我只关心我们能“观测”到大自然是什么。电子又是粒子又是波，但每次我们观察它，它只展现出其中一面，这里的关键是我们“如何”观察它，而不是它“究竟”是什么。”
（图源：百度安全验证）
其实这么长一段话的意思就是：它既是一个粒子，同时也是一个波！你观察的角度不同，那么你看到的东西也就不同。
我们在前面说到，爱因斯坦提出的光量子理论，这个时候人们就开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。而加上玻尔的这番话，于是德布罗意出来平息这场争斗，在 1924 年提出了“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。
不过这个假说并没能平息这场争斗，直到 1927 年，C . J . 戴维孙和 L . H . 革末在观察镍单晶表面对能量为 100 电子伏的电子束进行散射时，发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，G . P. 汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时，也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了 L. V . 德布罗意提出的电子具有波动性的设想，从而证实了一切物质都具有波粒二象性。
（图源：百度安全验证）
自此海森堡与薛定谔掀起的第三次波粒大战就此结束，这一次，微粒说与波动说终于实现了融合。
可以说第三次波粒大战由宏观领域转战到了微观领域，在之前，大家还只是针对光进行讨论，而在第三次波粒大战中，已经深入到了光源中的电子一样，正如量子力学将物理带入了微观领域一样，在 20 世纪初的这场波粒大战同样在微观领域展开。
2015 年瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片：
（图源：百度安全验证）
照片中，底部的切片状景象展示了光线的粒子特性，顶部的景象展示了光线的波特性。
自此，这场持续了 300 年的波粒大战才正式落下帷幕，许多的科学家住这场论争中涌现，崭露头角，这次论争的双方可以说都没有错，但也没有全对。波粒大战可以说推动了物理学的大发展（相对论和量子力学以及光电效应的诞生都和此有关）！
目前结论：
无论是微粒说还是波动说，都只是光本质的一部分，只有二者的有机融合，才能组成有血有肉的光。光具有波粒二象性，一切物质都具有波粒二象性！
后半程的波粒斗争看的似懂非懂，但是不得不感慨三百多年间，无数科学伟人—胡克、惠更斯、牛顿、托马斯-杨、菲涅尔、泊松、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦、康普顿、德布罗意、海森堡、玻尔……的名字穿插其中，波动学、电磁学、量子力学等理论在一次次大战中诞生。真理探索之路充满无限可能！
光学分分类：
目前对于光的研究分为几何光学、波动光学、量子光学、电磁光学以及非线性光学。在基于物理渲染（PBR）领域应只用到了几何光学、波动光学，已经可以模拟媲美现实的光效。相信到这里大家已经对光的本质有了一定了解，后面将会带来PBR系列-物理材质，敬请期待！
参考链接：
百度安全验证
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涨知识 | 来！相信光！
中国科学院西安光学精密机械研究所-光学科普园地
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物理光学笔记 Chapter1 光的电磁理论 - 知乎
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