光是什么？

这个问题在历史上被反复提出，而且从人类文明的早期开始，这个问题就是科学和哲学中巨大的谜团。

在这篇文章中，我们将从古希腊人的早期观点讲到量子物理学视角下的现代观点，展现人类研究光的历史和对光的真实本质的追求。

早期研究

尽管人们很早就提出了关于光的问题，但（有记载的）第一个严肃的科学方法由欧几里德（Euclid）提出（约公元前 300 年）。欧几里德利用数学对光进行了研究，他发现了光的一个重要性质，即光以直线传播。

然后，他写了《光学》这本重要的书，其中描述了光的基本特性和相关知识，如反射、扩散和人的视觉。欧几里德研究光学理论的方法和他将数学进行严格公理化的方法都成为了这些领域的基础。直到 2000 年后的牛顿时代，它们在科学界仍然具有相当的影响力。

欧几里德认为光是直线传播的，因此眼睛必须允许光线射出并“抓住”我们看到的东西。他坚信当你睁开眼睛时，你可以立刻看到夜空中的星星，因为欧几里德认为光的传播速度是无穷大的。

这种说法听起来很有道理。对古希腊人来说，光是神圣而不可触摸的。那么它为什么会有速度限制呢？为什么有任何限制的必要呢？

伟大的自然哲学家亚里士多德（Aristotle）提出了另一种观点，即不是眼睛发出了什么东西，而是来自于发光物体的辐射击中我们的眼睛，且太阳发出的白光是最纯净的光。亚里士多德无法解释欧几里德的一些观点，于是我们真正需要的是将他们的理论结合起来。

欧几里德关于眼睛就是光源的观点可能受到了其他希腊哲学家的影响，例如恩佩多克勒斯，他假设一切都由水、火、土、气四种元素组成；当众神制造人眼时，它们点燃了火元素，使我们能够看到事物。

来自东方的见解

在公元 500 年 -700 年间，印度哲学家陈那（Dignāga）和达玛科帝（Dharmakirti）等提出了光的原子论。他们认为光是一个原子实体，并认为它等同于能量。这是第一次有人认为光是粒子，但绝不是最后一次。

自希腊人提出他们的观点以来，伊斯兰世界最大的突破是由伟大的科学家本·海什木（Ibn al-Haytham）在公元 1000 年左右取得的，他有时也被称为阿尔·哈金。阿尔·哈金出生于现伊拉克的巴士拉市。作为一名活跃的学者，他研究了欧几里德和亚里士多德关于光的著作。

他问了一些关键性问题，如：

“为什么月亮在地平线附近比在天空中更高时显得更大？”

这些问题和批判性思维帮助他追求真理，他认为它们在科学中至关重要。

他最伟大的想法是认识到许多古老的问题和理论之间的差异可以通过实验来解决，因此他有时被称为第一位真正的科学家。特别是，他使用镜子和透镜来研究光的反射和折射。他写了一些关于凹面镜反射、玻璃球折射和月光的书。

例如，他试图证明欧几里德关于视觉的理论是错误的。为此，他搭建了一个名为暗箱的实验，他让光线穿过暗室中的一个小孔。然后，他看到墙上倒挂着外面世界的倒影。通过移动和遮挡不同的光源，他观察了黑暗房间里墙上发生的事情。毫无疑问，这与眼睛无关。毕竟，这堵墙也没有从中射出光线！

但他不仅仅是做实验，他还用数学解释这些实验。有了光的数学理论，他能够以我们今天所知道的形式解释反射和折射定律。这些在后来被重新发现并记录下来，并在 600 多年后归功于笛卡尔。阿尔·哈金的书在当时是最先进的，后来的科学家如哥白尼、开普勒和伽利略都对它们进行了深入的研究。

在物理、生物、化学等领域，实验和数学理论的结合一直是现代科学的推动力。

文艺复兴时期的欧洲，关于真理的竞赛

勒内·笛卡尔（Renè Descartes）是一位伟大的自然哲学家，他对数学和物理都做出了许多贡献。他似乎认为光是发光体的一种特性。1637 年，他发表了光的折射理论，其中他解释说：折射是由于光通过不同材料的相对速度不同而发生的，如果光表现得像波一样，那么这种折射就可以被解释。

这真是太神奇了！尽管他认为光在密度较高的介质中比在密度较低的介质中传播更快的假设是错误的（他把声波作为类比），但类似于波的性质和相对速度差异是正确的。

笛卡尔写道，光包含所有的颜色，它总是可以被分割成不同的颜色——也就是说，不存在颜色原子。

在这个时代，我们无法绕过另一个科学巨人，即艾萨克·牛顿（Isaac Newton）爵士。当他读到笛卡尔的理论时，他开始证明笛卡尔的理论有问题！今天我们应当感谢他的工作。牛顿做了一些以前没有人做过的事。他把光束照射到一个棱镜上，把阳光分成不同的颜色，这样棱镜发出的光就会照射到一块白色的窗帘上。然后，他在窗帘上钻了一个洞，这样洞中就有一种颜色通过——比如说红色，这样他可以只让红光通过特定的洞。接下来是天才才有的操作。

他取了第二个棱镜，然后将红光穿过棱镜，照射到白墙上，看它是否会将红色进一步分解成其他组成部分。

结果只有红光出现在后墙上。他现在已经证明笛卡尔实际上是错的。任何颜色都是由其他基本颜色混合而成的，但有些颜色无法进一步分解。也就是说，光有一种 DNA。牛顿称这种 DNA 为光谱，尽管他没有意识到这种光谱实际上比他最初研究的七条谱带要精细得多，也宽得多。

在 1672 年发表的一篇论文中，他宣布了自己的《关于光和颜色的理论》，并在其中与世界分享了这一伟大的学术成就，即光是各种颜色的混合物，而不是亚里士多德提出的“纯白色阳光”。

在随后的 1704 年，他发表了他的理论，认为光是粒子流，就像一千年前的印度科学家认为的那样。

大约在同一时间，荷兰天文学家和物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）发表了一篇论文，其中他主张光是波的理论。惠更斯是第一个发现土星的卫星土卫六的人，他以对土星环的详细研究以及其他成就而闻名。因此，这当然不是无名小卒的观点，他和牛顿的不同理论在科学界演变成一场大辩论：

“光是粒子还是波？”

1676 年，丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）首次测量到光不仅不是无限快，而且速度约为 212000 公里 / 秒。天文学家让·德朗布尔（Jean Baptiste Joseph Delambre）后来对此进行了更精确的研究，他获得了大约 300000 公里 / 秒的速度。

我们现在知道光速的真实值是 299792458 米 / 秒。所以德朗布尔非常接近正确答案。

进入现代

1800 年，威廉·赫歇尔（William Herschel）用棱镜将光分成光谱后，决定测量不同颜色光的热量。他很快意识到，发出最高温度的光在红光旁边，但是它根本没有颜色！

赫歇尔发现了不可见光，我们现在称这种光为红外光。但真正的光谱不仅包含红外光，而是远远大于之前所认为的范围，在其中人类可见的范围仅占很小的一部分。

1801 年，约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）发现，如果你把光谱另一端紫光光谱之外的光照在某些化学反应上，这些化学反应会进行得更快。这种不可见光含有大量能量，现在我们知道这种光是紫外线。

当然，现在我们知道无线电波、微波、X 射线、伽马射线等都是光谱中不同位置的光。

1807 年，托马斯·杨（Thomas Young）指出，当来自点光源的光照射到两个针孔上时，可以在适当距离之外的墙上观察到干涉图案，他认为光的行为和波类似。这个实验对未来的研究产生了巨大的影响，现在我们把这类实验称为“双缝实验”。

1845 年，法拉第（Michael Faraday）发现，当光线沿着磁力线传播时，线偏振光的偏振面会旋转。这是第一个证明光与电磁有关的证据。法拉第在 1847 年提出，光是一种高频电磁振动，即使没有乙醚等介质也可以传播。

杰出的数学物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）受到法拉第的启发，将电力和磁力统一为一组描述电磁波的微分方程。

此外，他根据先前的实验计算出电磁波正以光速传播。他提出光实际上就是电磁波。事实证明这是正确的！当然，故事还有很多。

麦克斯韦得出的结论是，光实际上是“电波”和“磁波”之和。

1900 年，普朗克（Max Planck）提出，尽管光是一种波，但这些波只能以与频率相关的有限量为单元获得或释放能量。普朗克将这些光能包称为“量子”。

此时，物理学家有一个尚未解决和无法解释的重大问题。赫兹（William Hertz）早些时候发现，将紫外线照射到金属板上时金属板会放出电流。然而，红光却没有这种效果。这被称为光电效应。如果光只是一种波，这种效应就无法解释。然而，当时的物理学家非常相信麦克斯韦方程，以至于波动理论得以幸存。

然后在 1905 年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了三篇关于不同类型物理现象的开创性论文，其中一篇是关于光电效应的。其中，他使用普朗克关于光量子的观点从理论上解释了发生了什么。

他解释道，光由称为光子的能量“量子”组成。光子没有（静）质量，但包含由公式 E=hc/γ描述的能量，其中 h 是一个称为普朗克常数的常数，γ是光的波长，c 是光速。

爱因斯坦的三篇论文展现了非凡的智慧和想象力：首先，光不仅是一种波，也是一种粒子；接下来证明了原子的存在（当时仍在推测）；最后他提出了对于空间、时间、能量和质量与众不同的认识，远比在圣经中描述更加实在。

他还分享了他举世闻名的质能公式（尽管该等式实际上并未出现在该论文中）。他是在瑞士的伯尔尼专利局任助理审查员时做出的这些发现！

我们现在称这些小粒子为光子。

等等……如果，光子没有质量，它们怎么还能有能量？毕竟上面方程中的 m 应该是 0，对吗？

好吧，我会告诉你一个小秘密。如果 m 是物体的静止质量，上面的方程只适用于静止状态，即处于相对它静止的参考系中。对于移动的物体，我们需要加上另一项来得到总能量。毕竟，运动物体具有动能，动能随着速度的增加而增加。

在我看来，更一般、更漂亮的等式是。式中，p 是物体的动量，m 是物体的静止质量。

对于动量为零的物体，可以化简为。取两边的平方根，假设能量为正（能量实际上可以为负，但那是另一回事），我们得出的特例。

另一方面，如果所讨论的物体与光子一样没有质量，则方程可简化为 E=pc。通过使用这些方程，人们可以得到一个同样由爱因斯坦发现的已知量的相对论能量公式

其中，v 是物体的速度，c 是光速，m 是静止质量。然而，注意这个公式不能用于质量为零的粒子。但因此，爱因斯坦推断，以光速运动的粒子需要质量为零，如果粒子没有质量，那么它需要以光速移动！

为什么粒子以光速（或等效无质量）或低于光速（因此有质量）运动的问题与希格斯场有关，但这又是另一篇文章要讲的内容。

这个奇妙的故事还有更多内容，但我们必须省略一些并继续前进了。

因此，有时光的行为看起来像波，有时它看起来像粒子。这种波粒二象性和光子的发现为量子物理奠定了基础。

在著名的双缝实验中，光通过两个平行的缝照射到屏幕上。当屏幕足够窄时，屏幕上会出现干涉图案，表明光是波。

如果一束电子（或任何其他组成物质的粒子束）通过狭缝发射，也会产生同样的效果。如果它们真的是粒子，它们就表现得像是粒子之间发生了干涉一样。

疯狂的是，当一次发射一个粒子时，我们看到同样的衍射图样慢慢出现。那么粒子会和自己发生干涉吗？在某种程度上，会的。

你看，极小的物体的本质上与宏观物体的性质截然不同。当我们向狭缝发射一个粒子时，它的行为就像一个波，直到我们观察到它，它又会变成粒子一样。

对这一现象有多种解释。著名的哥本哈根解释表明，这是因为量子态固有的不确定性（和叠加性）。当一个粒子没有被观测到的时候，我们唯一能说的就是当它到达终端屏幕时出现在哪里的概率。概率由薛定谔波动方程给出。

然后有人争辩说，事实上，粒子在未被观察到时实际上是一种概率波（概率密度函数，它随时间变化）。当我们观察粒子时，它在哪里是毫无疑问的，因此波函数会塌缩，大自然需要根据概率分布在空间中选择一个点。

这个实验的另一个有趣现象是当狭缝变窄时发生的。当我们缩小狭缝时，屏幕上的干涉图案实际上会扩散开来。这是因为如果我们在粒子离开狭缝时限制它们的位置，那么根据海森堡不确定性原理，它们动量的不确定性就会增加。

真正的效果是粒子运动的方向将“更加随机”。也就是说动量空间的概率波传播开来，因为位置的概率波变窄了。

那么光是粒子还是波呢？

嗯，我认为这个问题是不恰当的。在某种意义上，这两者都是，在另一种意义上，两者都不是。我们可以说，它是由光子组成的电磁辐射，在未被观测到时具有类似波的特性。

作者：Kasper Müller

翻译：Nothing

审校：云开叶落

原文链接：Let There Be Light