光是什么？

這個問題在歷史上被反復提出，而且從人類文明的早期開始，這個問題就是科學和哲學中巨大的謎團。

在這篇文章中，我們將從古希臘人的早期觀點講到量子物理學視角下的現代觀點，展現人類研究光的歷史和對光的真實本質的追求。

早期研究

盡管人們很早就提出了關于光的問題，但（有記載的）第一個嚴肅的科學方法由歐幾里德（Euclid）提出（約公元前 300 年）。歐幾里德利用數學對光進行了研究，他發現了光的一個重要性質，即光以直線傳播。

然后，他寫了《光學》這本重要的書，其中描述了光的基本特性和相關知識，如反射、擴散和人的視覺。歐幾里德研究光學理論的方法和他將數學進行嚴格公理化的方法都成為了這些領域的基礎。直到 2000 年后的牛頓時代，它們在科學界仍然具有相當的影響力。

歐幾里德認為光是直線傳播的，因此眼睛必須允許光線射出并 " 抓住 " 我們看到的東西。他堅信當你睜開眼睛時，你可以立刻看到夜空中的星星，因為歐幾里德認為光的傳播速度是無窮大的。

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

偉大的自然哲學家亞里士多德（Aristotle）提出了另一種觀點，即不是眼睛發出了什么東西，而是來自于發光物體的輻射擊中我們的眼睛，且太陽發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，于是我們真正需要的是將他們的理論結合起來。

歐幾里德關于眼睛就是光源的觀點可能受到了其他希臘哲學家的影響，例如恩佩多克勒斯，他假設一切都由水、火、土、氣四種元素組成；當眾神制造人眼時，它們點燃了火元素，使我們能夠看到事物。

來自東方的見解

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

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

本 · 海什木

他問了一些關鍵性問題，如：

" 為什么月亮在地平線附近比在天空中更高時顯得更大？"

這些問題和批判性思維幫助他追求真理，他認為它們在科學中至關重要。

他最偉大的想法是認識到許多古老的問題和理論之間的差異可以通過實驗來解決，因此他有時被稱為第一位真正的科學家。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于視覺的理論是錯誤的。為此，他搭建了一個名為暗箱的實驗，他讓光線穿過暗室中的一個小孔。然后，他看到墻上倒掛著外面世界的倒影。通過移動和遮擋不同的光源，他觀察了黑暗房間里墻上發生的事情。毫無疑問，這與眼睛無關。畢竟，這堵墻也沒有從中射出光線！

但他不僅僅是做實驗，他還用數學解釋這些實驗。有了光的數學理論，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現并記錄下來，并在 600 多年后歸功于笛卡爾。阿爾 · 哈金的書在當時是最先進的，后來的科學家如哥白尼、開普勒和伽利略都對它們進行了深入的研究。

在物理、生物、化學等領域，實驗和數學理論的結合一直是現代科學的推動力。

文藝復興時期的歐洲，關于真理的競賽

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

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

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

在這個時代，我們無法繞過另一個科學巨人，即艾薩克 · 牛頓（IsaacNewton）爵士。當他讀到笛卡爾的理論時，他開始證明笛卡爾的理論有問題！今天我們應當感謝他的工作。牛頓做了一些以前沒有人做過的事。他把光束照射到一個棱鏡上，把陽光分成不同的顏色，這樣棱鏡發出的光就會照射到一塊白色的窗簾上。然后，他在窗簾上鉆了一個洞，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。

他取了第二個棱鏡，然后將紅光穿過棱鏡，照射到白墻上，看它是否會將紅色進一步分解成其他組成部分。

牛頓的雙棱鏡實驗

結果只有紅光出現在后墻上。他現在已經證明笛卡爾實際上是錯的。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，盡管他沒有意識到這種光譜實際上比他最初研究的七條譜帶要精細得多，也寬得多。

在 1672 年發表的一篇論文中，他宣布了自己的《關于光和顏色的理論》，并在其中與世界分享了這一偉大的學術成就，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，他發表了他的理論，認為光是粒子流，就像一千年前的印度科學家認為的那樣。

大約在同一時間，荷蘭天文學家和物理學家克里斯蒂安 · 惠更斯（ChristiaanHuygens）發表了一篇論文，其中他主張光是波的理論。惠更斯是第一個發現土星的衛星土衛六的人，他以對土星環的詳細研究以及其他成就而聞名。因此，這當然不是無名小卒的觀點，他和牛頓的不同理論在科學界演變成一場大辯論：

" 光是粒子還是波？"

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

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

進入現代

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

赫歇爾發現了不可見光，我們現在稱這種光為紅外光。但真正的光譜不僅包含紅外光，而是遠遠大于之前所認為的范圍，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）發現，如果你把光譜另一端紫光光譜之外的光照在某些化學反應上，這些化學反應會進行得更快。這種不可見光含有大量能量，現在我們知道這種光是紫外線。

當然，現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，當來自點光源的光照射到兩個針孔上時，可以在適當距離之外的墻上觀察到干涉圖案，他認為光的行為和波類似。這個實驗對未來的研究產生了巨大的影響，現在我們把這類實驗稱為 " 雙縫實驗 "。

1845 年，法拉第（MichaelFaraday）發現，當光線沿著磁力線傳播時，線偏振光的偏振面會旋轉。這是第一個證明光與電磁有關的證據。法拉第在 1847 年提出，光是一種高頻電磁振動，即使沒有乙醚等介質也可以傳播。

杰出的數學物理學家麥克斯韋（JamesClerk Maxwell）受到法拉第的啟發，將電力和磁力統一為一組描述電磁波的微分方程。

此外，他根據先前的實驗計算出電磁波正以光速傳播。他提出光實際上就是電磁波。事實證明這是正確的！當然，故事還有很多。

麥克斯韋得出的結論是，光實際上是 " 電波 " 和 " 磁波 " 之和。

電磁波包含電場和磁場的波動

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，物理學家有一個尚未解決和無法解釋的重大問題。赫茲（WilliamHertz）早些時候發現，將紫外線照射到金屬板上時金屬板會放出電流。然而，紅光卻沒有這種效果。這被稱為光電效應。如果光只是一種波，這種效應就無法解釋。然而，當時的物理學家非常相信麥克斯韋方程，以至于波動理論得以幸存。

然后在 1905 年，愛因斯坦（AlbertEinstein）發表了三篇關于不同類型物理現象的開創性論文，其中一篇是關于光電效應的。其中，他使用普朗克關于光量子的觀點從理論上解釋了發生了什么。

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）質量，但包含由公式 E=hc/γ 描述的能量，其中 h 是一個稱為普朗克常數的常數，γ 是光的波長，c 是光速。

愛因斯坦的三篇論文展現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（當時仍在推測）；最后他提出了對于空間、時間、能量和質量與眾不同的認識，遠比在圣經中描述更加實在。

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

我們現在稱這些小粒子為光子。

等等 …… 如果，光子沒有質量，它們怎么還能有能量？畢竟上面方程中的 m 應該是 0，對嗎？

好吧，我會告訴你一個小秘密。如果 m 是物體的靜止質量，上面的方程只適用于靜止狀態，即處于相對它靜止的參考系中。對于移動的物體，我們需要加上另一項來得到總能量。畢竟，運動物體具有動能，動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 是物體的動量，m 是物體的靜止質量。

對于動量為零的物體，可以化簡為。取兩邊的平方根，假設能量為正（能量實際上可以為負，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量，則方程可簡化為 E=pc。通過使用這些方程，人們可以得到一個同樣由愛因斯坦發現的已知量的相對論能量公式

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

為什么粒子以光速（或等效無質量）或低于光速（因此有質量）運動的問題與希格斯場有關，但這又是另一篇文章要講的內容。

這個奇妙的故事還有更多內容，但我們必須省略一些并繼續前進了。

因此，有時光的行為看起來像波，有時它看起來像粒子。這種波粒二象性和光子的發現為量子物理奠定了基礎。

在著名的雙縫實驗中，光通過兩個平行的縫照射到屏幕上。當屏幕足夠窄時，屏幕上會出現干涉圖案，表明光是波。

雙縫實驗

如果一束電子（或任何其他組成物質的粒子束）通過狹縫發射，也會產生同樣的效果。如果它們真的是粒子，它們就表現得像是粒子之間發生了干涉一樣。

瘋狂的是，當一次發射一個粒子時，我們看到同樣的衍射圖樣慢慢出現。那么粒子會和自己發生干涉嗎？在某種程度上，會的。

你看，極小的物體的本質上與宏觀物體的性質截然不同。當我們向狹縫發射一個粒子時，它的行為就像一個波，直到我們觀察到它，它又會變成粒子一樣。

對這一現象有多種解釋。著名的哥本哈根解釋表明，這是因為量子態固有的不確定性（和疊加性）。當一個粒子沒有被觀測到的時候，我們唯一能說的就是當它到達終端屏幕時出現在哪里的概率。概率由薛定諤波動方程給出。

然后有人爭辯說，事實上，粒子在未被觀察到時實際上是一種概率波（概率密度函數，它隨時間變化）。當我們觀察粒子時，它在哪里是毫無疑問的，因此波函數會塌縮，大自然需要根據概率分布在空間中選擇一個點。

這個實驗的另一個有趣現象是當狹縫變窄時發生的。當我們縮小狹縫時，屏幕上的干涉圖案實際上會擴散開來。這是因為如果我們在粒子離開狹縫時限制它們的位置，那么根據海森堡不確定性原理，它們動量的不確定性就會增加。

真正的效果是粒子運動的方向將 " 更加隨機 "。也就是說動量空間的概率波傳播開來，因為位置的概率波變窄了。

那么光是粒子還是波呢？

嗯，我認為這個問題是不恰當的。在某種意義上，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，在未被觀測到時具有類似波的特性。