光是什么？

這個(gè)問題在歷史上被反復(fù)提出，而且從人類文明的早期開始，這個(gè)問題就是科學(xué)和哲學(xué)中巨大的謎團(tuán)。

在這篇文章中，我們將從古希臘人的早期觀點(diǎn)講到量子物理學(xué)視角下的現(xiàn)代觀點(diǎn)，展現(xiàn)人類研究光的歷史和對(duì)光的真實(shí)本質(zhì)的追求。

早期研究

盡管人們很早就提出了關(guān)于光的問題，但（有記載的）第一個(gè)嚴(yán)肅的科學(xué)方法由歐幾里德（Euclid）提出（約公元前 300 年）。歐幾里德利用數(shù)學(xué)對(duì)光進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)了光的一個(gè)重要性質(zhì)，即光以直線傳播。

然后，他寫了《光學(xué)》這本重要的書，其中描述了光的基本特性和相關(guān)知識(shí)，如反射、擴(kuò)散和人的視覺。歐幾里德研究光學(xué)理論的方法和他將數(shù)學(xué)進(jìn)行嚴(yán)格公理化的方法都成為了這些領(lǐng)域的基礎(chǔ)。直到 2000 年后的牛頓時(shí)代，它們?cè)诳茖W(xué)界仍然具有相當(dāng)?shù)挠绊懥Α?/p>

歐幾里德認(rèn)為光是直線傳播的，因此眼睛必須允許光線射出并 " 抓住 " 我們看到的東西。他堅(jiān)信當(dāng)你睜開眼睛時(shí)，你可以立刻看到夜空中的星星，因?yàn)闅W幾里德認(rèn)為光的傳播速度是無窮大的。

這種說法聽起來很有道理。對(duì)古希臘人來說，光是神圣而不可觸摸的。那么它為什么會(huì)有速度限制呢？為什么有任何限制的必要呢？

偉大的自然哲學(xué)家亞里士多德（Aristotle）提出了另一種觀點(diǎn)，即不是眼睛發(fā)出了什么東西，而是來自于發(fā)光物體的輻射擊中我們的眼睛，且太陽發(fā)出的白光是最純凈的光。亞里士多德無法解釋歐幾里德的一些觀點(diǎn)，于是我們真正需要的是將他們的理論結(jié)合起來。

歐幾里德關(guān)于眼睛就是光源的觀點(diǎn)可能受到了其他希臘哲學(xué)家的影響，例如恩佩多克勒斯，他假設(shè)一切都由水、火、土、氣四種元素組成；當(dāng)眾神制造人眼時(shí)，它們點(diǎn)燃了火元素，使我們能夠看到事物。

來自東方的見解

在公元 500 年 -700 年間，印度哲學(xué)家陳那（Dign ā ga）和達(dá)瑪科帝（Dharmakirti）等提出了光的原子論。他們認(rèn)為光是一個(gè)原子實(shí)體，并認(rèn)為它等同于能量。這是第一次有人認(rèn)為光是粒子，但絕不是最后一次。

自希臘人提出他們的觀點(diǎn)以來，伊斯蘭世界最大的突破是由偉大的科學(xué)家本 · 海什木（Ibnal-Haytham）在公元 1000 年左右取得的，他有時(shí)也被稱為阿爾 · 哈金。阿爾 · 哈金出生于現(xiàn)伊拉克的巴士拉市。作為一名活躍的學(xué)者，他研究了歐幾里德和亞里士多德關(guān)于光的著作。

本 · 海什木

他問了一些關(guān)鍵性問題，如：

" 為什么月亮在地平線附近比在天空中更高時(shí)顯得更大？"

這些問題和批判性思維幫助他追求真理，他認(rèn)為它們?cè)诳茖W(xué)中至關(guān)重要。

他最偉大的想法是認(rèn)識(shí)到許多古老的問題和理論之間的差異可以通過實(shí)驗(yàn)來解決，因此他有時(shí)被稱為第一位真正的科學(xué)家。特別是，他使用鏡子和透鏡來研究光的反射和折射。他寫了一些關(guān)于凹面鏡反射、玻璃球折射和月光的書。

例如，他試圖證明歐幾里德關(guān)于視覺的理論是錯(cuò)誤的。為此，他搭建了一個(gè)名為暗箱的實(shí)驗(yàn)，他讓光線穿過暗室中的一個(gè)小孔。然后，他看到墻上倒掛著外面世界的倒影。通過移動(dòng)和遮擋不同的光源，他觀察了黑暗房間里墻上發(fā)生的事情。毫無疑問，這與眼睛無關(guān)。畢竟，這堵墻也沒有從中射出光線！

但他不僅僅是做實(shí)驗(yàn)，他還用數(shù)學(xué)解釋這些實(shí)驗(yàn)。有了光的數(shù)學(xué)理論，他能夠以我們今天所知道的形式解釋反射和折射定律。這些在后來被重新發(fā)現(xiàn)并記錄下來，并在 600 多年后歸功于笛卡爾。阿爾 · 哈金的書在當(dāng)時(shí)是最先進(jìn)的，后來的科學(xué)家如哥白尼、開普勒和伽利略都對(duì)它們進(jìn)行了深入的研究。

在物理、生物、化學(xué)等領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)理論的結(jié)合一直是現(xiàn)代科學(xué)的推動(dòng)力。

文藝復(fù)興時(shí)期的歐洲，關(guān)于真理的競(jìng)賽

勒內(nèi) · 笛卡爾（RenèDescartes）是一位偉大的自然哲學(xué)家，他對(duì)數(shù)學(xué)和物理都做出了許多貢獻(xiàn)。他似乎認(rèn)為光是發(fā)光體的一種特性。1637 年，他發(fā)表了光的折射理論，其中他解釋說：折射是由于光通過不同材料的相對(duì)速度不同而發(fā)生的，如果光表現(xiàn)得像波一樣，那么這種折射就可以被解釋。

這真是太神奇了！盡管他認(rèn)為光在密度較高的介質(zhì)中比在密度較低的介質(zhì)中傳播更快的假設(shè)是錯(cuò)誤的（他把聲波作為類比），但類似于波的性質(zhì)和相對(duì)速度差異是正確的。

笛卡爾寫道，光包含所有的顏色，它總是可以被分割成不同的顏色——也就是說，不存在顏色原子。

三棱鏡將白色日光分解成七色光譜

在這個(gè)時(shí)代，我們無法繞過另一個(gè)科學(xué)巨人，即艾薩克 · 牛頓（IsaacNewton）爵士。當(dāng)他讀到笛卡爾的理論時(shí)，他開始證明笛卡爾的理論有問題！今天我們應(yīng)當(dāng)感謝他的工作。牛頓做了一些以前沒有人做過的事。他把光束照射到一個(gè)棱鏡上，把陽光分成不同的顏色，這樣棱鏡發(fā)出的光就會(huì)照射到一塊白色的窗簾上。然后，他在窗簾上鉆了一個(gè)洞，這樣洞中就有一種顏色通過——比如說紅色，這樣他可以只讓紅光通過特定的洞。接下來是天才才有的操作。

他取了第二個(gè)棱鏡，然后將紅光穿過棱鏡，照射到白墻上，看它是否會(huì)將紅色進(jìn)一步分解成其他組成部分。

牛頓的雙棱鏡實(shí)驗(yàn)

結(jié)果只有紅光出現(xiàn)在后墻上。他現(xiàn)在已經(jīng)證明笛卡爾實(shí)際上是錯(cuò)的。任何顏色都是由其他基本顏色混合而成的，但有些顏色無法進(jìn)一步分解。也就是說，光有一種 DNA。牛頓稱這種 DNA 為光譜，盡管他沒有意識(shí)到這種光譜實(shí)際上比他最初研究的七條譜帶要精細(xì)得多，也寬得多。

在 1672 年發(fā)表的一篇論文中，他宣布了自己的《關(guān)于光和顏色的理論》，并在其中與世界分享了這一偉大的學(xué)術(shù)成就，即光是各種顏色的混合物，而不是亞里士多德提出的 " 純白色陽光 "。

在隨后的 1704 年，他發(fā)表了他的理論，認(rèn)為光是粒子流，就像一千年前的印度科學(xué)家認(rèn)為的那樣。

大約在同一時(shí)間，荷蘭天文學(xué)家和物理學(xué)家克里斯蒂安 · 惠更斯（ChristiaanHuygens）發(fā)表了一篇論文，其中他主張光是波的理論。惠更斯是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六的人，他以對(duì)土星環(huán)的詳細(xì)研究以及其他成就而聞名。因此，這當(dāng)然不是無名小卒的觀點(diǎn)，他和牛頓的不同理論在科學(xué)界演變成一場(chǎng)大辯論：

" 光是粒子還是波？"

1676 年，丹麥天文學(xué)家奧勒 · 羅默（OleRømer）首次測(cè)量到光不僅不是無限快，而且速度約為 212000 公里 / 秒。天文學(xué)家讓 · 德朗布爾（JeanBaptiste Joseph Delambre）后來對(duì)此進(jìn)行了更精確的研究，他獲得了大約 300000 公里 / 秒的速度。

我們現(xiàn)在知道光速的真實(shí)值是 299792458 米 / 秒。所以德朗布爾非常接近正確答案。

進(jìn)入現(xiàn)代

1800 年，威廉 · 赫歇爾（WilliamHerschel）用棱鏡將光分成光譜后，決定測(cè)量不同顏色光的熱量。他很快意識(shí)到，發(fā)出最高溫度的光在紅光旁邊，但是它根本沒有顏色！

赫歇爾發(fā)現(xiàn)了不可見光，我們現(xiàn)在稱這種光為紅外光。但真正的光譜不僅包含紅外光，而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前所認(rèn)為的范圍，在其中人類可見的范圍僅占很小的一部分。

1801 年，約翰 · 威廉 · 里特（JohannWilhelm Ritter）發(fā)現(xiàn)，如果你把光譜另一端紫光光譜之外的光照在某些化學(xué)反應(yīng)上，這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)進(jìn)行得更快。這種不可見光含有大量能量，現(xiàn)在我們知道這種光是紫外線。

當(dāng)然，現(xiàn)在我們知道無線電波、微波、X 射線、伽馬射線等都是光譜中不同位置的光。

可見光只是電磁波譜中很窄的一段

1807 年，托馬斯 · 楊（ThomasYoung）指出，當(dāng)來自點(diǎn)光源的光照射到兩個(gè)針孔上時(shí)，可以在適當(dāng)距離之外的墻上觀察到干涉圖案，他認(rèn)為光的行為和波類似。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)未來的研究產(chǎn)生了巨大的影響，現(xiàn)在我們把這類實(shí)驗(yàn)稱為 " 雙縫實(shí)驗(yàn) "。

1845 年，法拉第（MichaelFaraday）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光線沿著磁力線傳播時(shí)，線偏振光的偏振面會(huì)旋轉(zhuǎn)。這是第一個(gè)證明光與電磁有關(guān)的證據(jù)。法拉第在 1847 年提出，光是一種高頻電磁振動(dòng)，即使沒有乙醚等介質(zhì)也可以傳播。

杰出的數(shù)學(xué)物理學(xué)家麥克斯韋（JamesClerk Maxwell）受到法拉第的啟發(fā)，將電力和磁力統(tǒng)一為一組描述電磁波的微分方程。

此外，他根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)計(jì)算出電磁波正以光速傳播。他提出光實(shí)際上就是電磁波。事實(shí)證明這是正確的！當(dāng)然，故事還有很多。

麥克斯韋得出的結(jié)論是，光實(shí)際上是 " 電波 " 和 " 磁波 " 之和。

電磁波包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)

1900 年，普朗克（MaxPlanck）提出，盡管光是一種波，但這些波只能以與頻率相關(guān)的有限量為單元獲得或釋放能量。普朗克將這些光能包稱為 "量子"。

此時(shí)，物理學(xué)家有一個(gè)尚未解決和無法解釋的重大問題。赫茲（WilliamHertz）早些時(shí)候發(fā)現(xiàn)，將紫外線照射到金屬板上時(shí)金屬板會(huì)放出電流。然而，紅光卻沒有這種效果。這被稱為光電效應(yīng)。如果光只是一種波，這種效應(yīng)就無法解釋。然而，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家非常相信麥克斯韋方程，以至于波動(dòng)理論得以幸存。

然后在 1905 年，愛因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)表了三篇關(guān)于不同類型物理現(xiàn)象的開創(chuàng)性論文，其中一篇是關(guān)于光電效應(yīng)的。其中，他使用普朗克關(guān)于光量子的觀點(diǎn)從理論上解釋了發(fā)生了什么。

愛因斯坦

他解釋道，光由稱為光子的能量 " 量子 " 組成。光子沒有（靜）質(zhì)量，但包含由公式 E=hc/γ 描述的能量，其中 h 是一個(gè)稱為普朗克常數(shù)的常數(shù)，γ 是光的波長(zhǎng)，c 是光速。

愛因斯坦的三篇論文展現(xiàn)了非凡的智慧和想象力：首先，光不僅是一種波，也是一種粒子；接下來證明了原子的存在（當(dāng)時(shí)仍在推測(cè)）；最后他提出了對(duì)于空間、時(shí)間、能量和質(zhì)量與眾不同的認(rèn)識(shí)，遠(yuǎn)比在圣經(jīng)中描述更加實(shí)在。

他還分享了他舉世聞名的質(zhì)能公式（盡管該等式實(shí)際上并未出現(xiàn)在該論文中）。他是在瑞士的伯爾尼專利局任助理審查員時(shí)做出的這些發(fā)現(xiàn)！

我們現(xiàn)在稱這些小粒子為光子。

等等 …… 如果，光子沒有質(zhì)量，它們?cè)趺催€能有能量？畢竟上面方程中的 m 應(yīng)該是 0，對(duì)嗎？

好吧，我會(huì)告訴你一個(gè)小秘密。如果 m 是物體的靜止質(zhì)量，上面的方程只適用于靜止?fàn)顟B(tài)，即處于相對(duì)它靜止的參考系中。對(duì)于移動(dòng)的物體，我們需要加上另一項(xiàng)來得到總能量。畢竟，運(yùn)動(dòng)物體具有動(dòng)能，動(dòng)能隨著速度的增加而增加。

在我看來，更一般、更漂亮的等式是。式中，p 是物體的動(dòng)量，m 是物體的靜止質(zhì)量。

對(duì)于動(dòng)量為零的物體，可以化簡(jiǎn)為。取兩邊的平方根，假設(shè)能量為正（能量實(shí)際上可以為負(fù)，但那是另一回事），我們得出的特例。

另一方面，如果所討論的物體與光子一樣沒有質(zhì)量，則方程可簡(jiǎn)化為 E=pc。通過使用這些方程，人們可以得到一個(gè)同樣由愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的已知量的相對(duì)論能量公式

其中，v 是物體的速度，c 是光速，m 是靜止質(zhì)量。然而，注意這個(gè)公式不能用于質(zhì)量為零的粒子。但因此，愛因斯坦推斷，以光速運(yùn)動(dòng)的粒子需要質(zhì)量為零，如果粒子沒有質(zhì)量，那么它需要以光速移動(dòng)！

為什么粒子以光速（或等效無質(zhì)量）或低于光速（因此有質(zhì)量）運(yùn)動(dòng)的問題與希格斯場(chǎng)有關(guān)，但這又是另一篇文章要講的內(nèi)容。

這個(gè)奇妙的故事還有更多內(nèi)容，但我們必須省略一些并繼續(xù)前進(jìn)了。

因此，有時(shí)光的行為看起來像波，有時(shí)它看起來像粒子。這種波粒二象性和光子的發(fā)現(xiàn)為量子物理奠定了基礎(chǔ)。

在著名的雙縫實(shí)驗(yàn)中，光通過兩個(gè)平行的縫照射到屏幕上。當(dāng)屏幕足夠窄時(shí)，屏幕上會(huì)出現(xiàn)干涉圖案，表明光是波。

雙縫實(shí)驗(yàn)

如果一束電子（或任何其他組成物質(zhì)的粒子束）通過狹縫發(fā)射，也會(huì)產(chǎn)生同樣的效果。如果它們真的是粒子，它們就表現(xiàn)得像是粒子之間發(fā)生了干涉一樣。

瘋狂的是，當(dāng)一次發(fā)射一個(gè)粒子時(shí)，我們看到同樣的衍射圖樣慢慢出現(xiàn)。那么粒子會(huì)和自己發(fā)生干涉嗎？在某種程度上，會(huì)的。

你看，極小的物體的本質(zhì)上與宏觀物體的性質(zhì)截然不同。當(dāng)我們向狹縫發(fā)射一個(gè)粒子時(shí)，它的行為就像一個(gè)波，直到我們觀察到它，它又會(huì)變成粒子一樣。

對(duì)這一現(xiàn)象有多種解釋。著名的哥本哈根解釋表明，這是因?yàn)榱孔討B(tài)固有的不確定性（和疊加性）。當(dāng)一個(gè)粒子沒有被觀測(cè)到的時(shí)候，我們唯一能說的就是當(dāng)它到達(dá)終端屏幕時(shí)出現(xiàn)在哪里的概率。概率由薛定諤波動(dòng)方程給出。

然后有人爭(zhēng)辯說，事實(shí)上，粒子在未被觀察到時(shí)實(shí)際上是一種概率波（概率密度函數(shù)，它隨時(shí)間變化）。當(dāng)我們觀察粒子時(shí)，它在哪里是毫無疑問的，因此波函數(shù)會(huì)塌縮，大自然需要根據(jù)概率分布在空間中選擇一個(gè)點(diǎn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)有趣現(xiàn)象是當(dāng)狹縫變窄時(shí)發(fā)生的。當(dāng)我們縮小狹縫時(shí)，屏幕上的干涉圖案實(shí)際上會(huì)擴(kuò)散開來。這是因?yàn)槿绻覀冊(cè)诹Ｗ与x開狹縫時(shí)限制它們的位置，那么根據(jù)海森堡不確定性原理，它們動(dòng)量的不確定性就會(huì)增加。

真正的效果是粒子運(yùn)動(dòng)的方向?qū)?" 更加隨機(jī) "。也就是說動(dòng)量空間的概率波傳播開來，因?yàn)槲恢玫母怕什ㄗ冋恕?/p>

那么光是粒子還是波呢？

嗯，我認(rèn)為這個(gè)問題是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ谀撤N意義上，這兩者都是，在另一種意義上，兩者都不是。我們可以說，它是由光子組成的電磁輻射，在未被觀測(cè)到時(shí)具有類似波的特性。