光 电 统 一 及 其 起 源
（学习弦网理论笔记）
关键词：光的本质 光的波动性质 光的电磁理论 电子起源 弦网液体
1.光是粒子还是波
光是什么？这似乎是一个很简单的问题。然而，它却开启了人类的智慧和视野。对于光是什么这个问题，很多人都会回答：光是太阳发出来的东西。但这并没有回答我们真正想要知道的东西。我们想要了解的是：光本身究竟是什么?
历史上曾经对光的理解做出巨大贡献的物理学家牛顿、胡克、惠更斯等，在那个时代给出的回答不尽相同。牛顿认为光是一束颗粒。按照牛顿的理解，光是以直线行走的，而我们又可以将光束分成很多部分，即阻挡部分的光，剩余的部分会穿透走了。胡克、惠更斯则认为光是波，而非颗粒。光是波这种说法有点奇怪，似乎采用了一个不太自然的角度来看光。
微粒说和波动说是两种很不相同的理论认识，哪一个才是正确的？或者说，哪一个理论能够圆满解释光的现象？折射是光的基本现象，当光线经过一个媒介时，例如玻璃，光线前进的方向会弯曲，更垂直玻璃的表面。如何解释光的折射现象？根据牛顿的粒子理论，当光线照射到界面上时，光的粒子会感受到有一股力将它们拉向媒介内，这些粒子前进的方向便会改变，因而造成光的折曲；当光线离开玻璃时，粒子会感受到相反的力，光线会折向另一侧。按照胡克和惠更斯的波动理论，光是波，当波照射在界面上时，波会在媒质内减慢速度，使波前速度减慢，以致光线弯曲，这就是波动理论对折射现象的解释。这两种解释可以得出不同的结论：在粒子理论中，光在媒介里的速度比较快；在波动理论中，光在媒介里的速度却比较慢。
在科学界，你可以提出不同的理论，得到不同的结论，但正确与否要由实验来判断。实验发现，在媒介内光的速度会比较慢，这告诉我们波动理论胜出。波动理论除了能够解释光在媒介内会减慢速度，还有更加奇妙的预测。光作为波，会发生干涉现象。当你将两个波并排叠加时，即波峰对着波峰、波谷对着波谷，便会形成一个较强的波；如果将两波调至波峰对着波谷、波谷对着波峰，两波合起来便会互相抵消。按光的粒子说是没有这个现象的。在光的粒子理论中，当我们将两部分粒子放在一起时，光的强度会增加；在光的波动理论中，两个波放在一起同样会增加或减少光的强度，这取决于它们如何排列。对于光波的叠加，如果光的强度增加，称为相长干涉，反之，如果光的强度减少，则称为相消干涉。
我们可以通过牛顿环这个实验来观察光的干涉现象。把凸玻璃置于另一块平面玻璃上，这样它们之间就有细少的空气层。当光线照射时，光线会分别被玻璃面和镜面反射。如果两条光线能够波峰对着波峰、波谷对着波谷排列，相长干涉便会发生；如果光线照射到另一处位置时，波谷对着波峰，则会发生相消干涉。在凸玻璃和镜的中央，凸玻璃的底面和镜的上面互相紧贴着，这时光线是同相位的。当光线远离中央时，空气层就会越来越大，最终，反射光线会发生相消干涉。这就解释了为何会首先看见暗带。当距离越来越大时，两波会再次排列，你就会看到亮带。如此类推，这个实验让我们看到了光就是波的实验证据。
如果实验采用不是单色光，而是普通白色光，仍然可以看见环带，而且还有颜色。这时仔细看亮环的外缘，会发现颜色是红色和黄色。为何会是这样？原因在于白光中拥有所有颜色的光。对于某些颜色的光，第一个暗环会较为靠近中央，但对于另一些颜色的光，环带会较远离中央。对于蓝光而言，相消干涉首先发生，蓝光暗环较为靠近中央。这时看不见蓝光，我们所能看见的就是红光和黄光。所以，中央亮斑外缘是红色和黄色。红光和黄光接着发生相消干涉而形成暗环，所以亮环的外缘是红色和黄色。
这个实验不仅解释了光的干涉和折射现象，更让我们理解了究竟什么是颜色。我们所看见的不同颜色，它出自于不同的波长。牛顿环实验告诉我们，蓝光的暗环比红光的暗环较靠中心，所以波长较短的是蓝光，较长的是红光。可以说，从颜色到干涉，波动理论都能够圆满地解释很多光现象。
但是，这一圆满的光波动理论有一个重大缺陷：如果光是波，那么，光波到底是由什么东西的振动产生的？
2.光的传播媒介和偏振
由于光能穿过真空，这使我们很难理解为什么光是波。假如真空真是什么都没有，那么真空中的光怎么可能是波？反之，将光看为粒子却好理解些，因为粒子是一些我们放在真空里的东西。光作为粒子进入真空就有了一些东西，就出现光了。可是实验告诉我们，光是波而不是粒子。这就意味着真空并不是什么都没有，因为波必须要由媒介来承载，只有媒介振动才会有波。看来，将真空想象为海洋比较恰当，我们就好比是海洋里的鱼。由于生活在海洋里面,我们当然不会感到水的存在。如果用这个海洋图像，就容易明白光的波性。海洋里的水发生振动将产生波，这就是光波了。至于海洋里的气泡、鱼和其它东西，那就是物质。这种可以承载光波的媒介称之为以太。引入以太这这个概念，可以得到一个能帮助我们理解光波的图像。但是,光的意义并不如此简单，它作为波是一种有内在意义的波，并不适合被看成是液体中的波。
如何证实光波有内部结构，需要分析光的现象。有些晶体，它们有一种被称为“双折射”的现象。把这种晶体放在报纸上，你可以看见上面的字有双像的效果。人们对于这种现象一度感到非常疑惑，百思不得其解。其实，在肯定光是波之前，牛顿曾试图用粒子说来理解双折射现象。他假设有两种光粒子，它们有不同的折射。
当然，也可以利用两种波来解释双折射现象。光不只是波，它还是很特别的波。由于波是一种振动，那么波的不同振动方向就代表不同的波。光有两种振动，即垂直振动和水平振动。这两种不同的振动或称两种不同方向的振动，叫做“偏振”。双折射晶体对这两种偏振有不同的影响，导致其传播速度也不同。正是因为两种偏振有不同的速度，它们弯曲的程度亦不相同，故有不同的折射。因此，双折射现象（双像现象）揭示了光的另一种秘密：光不只是波，而且是带有偏振的波。通常所说有两种光，意思即为两种偏振方向的光。
对偏振现象，可以利用偏振分光镜来检测。客观存在的光包含两种方向的偏振，而偏振分光镜只准许某一偏振的光穿过，对其它方向的偏振光有阻挡效应。随机偏振的自然光通过偏振分光镜后，所有光线只在某一方向振动，这时如果加第二块偏振分光镜，并将其旋转90°，所有的光就会完全被阻挡（上图中的检偏器转动90°即偏振为I的光线消失）。这表明光的振动方向垂直于传播方向，因而称这种偏振为横向偏振，这种波就称为横波。
光波有两种横向偏振，这告诉我们，先前假设真空是可以承载光波的以太，它不可能是液体。这是因为，液体的粒子是随机分布的，在液体内的波是由压缩和解压引起的，你挤压它，它会有密度聚集；你解压它,它会发散密度，这就表征为波。这种对液体的挤压或解压引起振动的方向与传播的方向一致，所有，这种偏振叫纵向偏振，相应的波叫纵波。
要产生横波，媒介必须发生剪切变形，但这在液体里很难实现。其原因是，液体中的粒子在没有另外因素影响的情况下，液体粒子随机分布的组合规律不会因剪切而发生任何改变。所以，液体只有纵波，没有横波。也就是说，以太不可能是液体，把以太比喻为液体的海洋是不太准确的。
既然排除了以太是液体的说法，那么是否可以认为以太是固体空间的特性呢？我们知道，固体粒子的排列是有规律的列阵，如果剪切变形粒子列阵，当然可以得到不同的形状。在固体里，也确实有一种波拥有与传播方向垂直的振动，也就是前面提及的横波。这视乎可以把以太比作固体，但固体是可以被挤压或解压的，即固体不但有横波，而且还有纵波。但是，光波只有两种横模，并没有纵模。因此，以太是固体的说法也不能成立。
只有两种横模而没有纵模，说明光波不是普通的波，而是非常特别的波。正是因为光的这类特别的性质，只有纵波的液体和同时拥有纵波和横波的固体，都不能作为承载光波的媒介以解释光的特性。这使我们感到困惑：光是波，它不是液体里的波，也不是固体里的波，它在什么媒介里的波才是光波？人们还尝试推测了很多其它的东西，也都没有找到一样物质可以支撑有两种横向偏振光波的。太困绕人了，难怪爱因斯坦说对于光“思考了几十年都没有搞清楚”！一直以来，很多人放弃了对以太的构思，恐怕是因为不知道什么媒介能承载光波，因而认为以太不存在。但亦有人锲而不舍，转折点往往来自一些意想不到的地方。
3.光是一种电磁波
在知道光是波之前好多年，人们发现具有磁性特质的物质，也就是指南针。微小磁性物质是如何分布在磁石周围的？把一些铁粉撒在磁石周围,可以看到相应的线状排列。这使科学家们感到十分好奇，如法拉第。他认为物质（物体）必须触碰才能互相作用。可是，两块磁石没有相碰就有力的作用。所以法拉第便认为磁石的周围可能有一些力的场，这是力场在触碰另一块磁石，虽然看不见力场，但它们是存在的。
力场的构思并不是什么新鲜事，很多人相信，一些有魔力的人就会拥有这种“场”或“光环”。磁石是一种有力场的物质，这种力场在科学界被称为磁场。
另一种与光有关的现象便是电。例如暴雨天气出现的闪光是由雷电造成的。当人们认识到布与琥珀摩擦可以产生电荷之后，就可以对电做定量化的实验和认识。一支琥珀棒经过摩擦，它会带上电荷。与磁石类似，两支带电的琥珀棒可以产生互相作用，表明电荷不用通过接触也可以发生作用，即电荷也会产生力场，这就是所谓的电场。电荷产生的电场能与另一个电荷接触而互相作用。
最初，电和磁被视为两种独立分开的现象。后来，研究发现这两种现象是彼此相关的。当有电流通过导线时，流动的电荷可以在电线周围产生磁场，而移动的磁石也可以产生电流。用一根电线、一块磁石和安培计做实验，如果将磁石移动并通过电线，安培计显示有电流产生，即移动磁石会产生电流。
麦克斯韦为相关实验作出了总结，我们必须在最基本的层面上理解实验现象的实质。移动电荷所产生的磁场，实际上是由变化的电场产生的。类似，移动的磁石改变磁场，变化的磁场会产生电场。移动磁石导致的电流，是由变化的磁场而导致的电场所产生的。考虑当磁石移向金属环时的时候，环中心位置的磁场强度逐步增加，所增加的磁场会产生环绕环的电场。这种环绕着的电场迫使导体里的电子流动就产生了电流。这是解释磁石移动为什么可以产生电流。
电生磁，磁生电，这是非常有趣的事情。将电场引致磁场或将磁场引致电场出现的现象能引申出非常重要的结果，即预言了波的存在。要理解这种被称为“电场和磁场”的波？必然涉及到正、负电荷的概念。当一个正电荷与另一个负电荷重合时，它们相互抵消而不产生电场。而如果将两种电荷分开时，电场E会围绕着电荷，正负电荷分开的过程就是电场强度增加的过程。根据麦克斯韦定律，变化的电场E会产生环绕电场的磁场B，而磁场也在不断地改变着，反过来又导致环绕磁场的电场出现。如此类推，就产生了电生磁，磁生电。所谓传播的电场和磁场亦是电磁波了。
其实，物理学家们早已经对电场引致磁场或磁场引致电场作出了很多实验，麦克斯韦不过是建立方程式来描写这些实验结果。麦克斯韦用他的方程计算电磁波的速度，发现电磁波和光波拥有同样的速度，据此他下了一个结论：光波就是电磁波。
研究电和磁可以对光波的内在本质有更深入的理解，使我们明白电、磁和光是统一的，是同一物理实在的不同物理现象。光的电磁理论可以解释光的偏振。光在水平方向传播，而电场和磁场的振动方向是垂直于传播方向的，所以电磁波是横波，它的两种偏振都是横向的。
光的电磁理论使我们对光有全面和详细的理解，但是，问题依然没有完全解决，我们仍然不知道什么东西的振动能够产生光波。更具体说：电场和磁场描绘的只是光波的振辐，强电场对应的是强光和强振动，还不知道是什么东西的振动对应于电场。在课本和老师反复论述中，我们接受的还是：电场就是电场，磁场就是磁场；电场转化为磁场，磁场转化为电场。最后就慢慢的忘记了一开始的问题：到底什么东西的振动对应于电场。尽管很多人认为这是一个无知的问题，却不能抹去这个难解的困惑。
4.光是弦网液体中的波
什么东西振动对应于电场和磁场？什么东西振动对应于光波？偿试“液体”行不通，因为它只有纵波；类比“固体”也行不通，因为它同时有纵波和横波。我们想要知道的是：什么媒介中只有两种横波，什么媒体的振动对应于电场和磁场。
首先必须搞清楚，为何液体和固体里的波有所不同。液体和固体里的粒子存在方式是不同的，不同存在形式的粒子造成不同种类的波，这被称为演生原理。在凝聚态物理学中，演生是一个重要概念，演生原理强调的是粒子的存在方式。要了解不同物质的性质，就要了解物质里的粒子是如何存在的。
在液体里，粒子是随机分布的，粒子的存在方式是随机组织。当粒子以随机组织存在时,只有挤压能改变组织的构型，剪切变形不能对粒子分布起任何作用。因此，随机组织只有纵波，没有横波。这也解释了为什么液体没有形状。在固体里，粒子往往排列成有规律的列阵，比如晶体就是一个以粒子点阵为存在形式的组织。不同的固体组织导致的是不同的波，挤压变形和剪切变形都能改变组织的构型(即引起粒子排列发生变化)。所以，固体里既有纵波，又有横波。这也解释了为什么固体有形状。
从演生原理的角度来看，我们可以更准确地提出问题，切中要点：什么样的粒子组织可以产生拥有两个横模的波？假如粒子随机分布，就是液相，这行不通；假如粒子排列成有规律的列阵，显然也行不通。那么什么样的组织才行得通？这个问题已经困扰了我们100多年。
现在发现，有一种粒子构成的组织，它可以产生只拥有两个横模的波。在这个媒介里，粒子首先排列成弦，就好像聚合物一样，这些弦充满了整个空间而形成弦网。也就是说，构成弦网的粒子的存在形式，象是在液体中随机地、波动地涨落着。但这并不是光波的全部。
弦网的随机涨落与液体相似。对这种波动和随机涨落的弦网，称为弦网液体。我们想了解,弦网液体里的波会是怎样？
在粒子随机分布的液体里，波动只能是粒子密度波，它对应于一个纵波。同样，在弦网液体里，波动也是密度波—弦密度波。换一句话说，在弦网液体里，出现有些地方有较多的弦，有些地方有较少的弦，就是弦密度波。不同于粒子，弦是有方向性的，弦密度由一个矢量来描写的，弦的方向就是矢量的方向。由于弦是连续的，弦密度的变化方向总是垂直于弦的方向，而弦密度波的运动方向也就是弦密度的变化方向。这就意味着，弦的方向(即弦密度矢量方向)总是垂直于弦密度波的运动方向，即弦密度波是一个横波，而且只有横波，没有纵波。
按照弦网液体的定义，我们终于找到了以太，它是一种可以承载两种横向偏振波的媒介，这样的媒介就是存在于以太中的弦网液体，我们所谓的以太指的就是弦网液体。于是，光或电磁波就是弦密度波，弦密度矢量对应的正是电场，弦的方向也就是电场的方向，一定空间区域内弦的多少表征的是电场强度的大小。这样就解释了光、电、磁的起源。
可能有人要问：光的起源一定是弦网液体吗？我相当肯定，弦网液体里的波就是电磁波。当然，其它媒介也有可能产生电磁波，弦网也许不是唯一的答案，我们的真空也许不是弦网液体。但是，进一步的研究表明，弦网液体不仅能解释光的起源，还能解释电子和其它基本粒子的起源。这说明我们的真空也许真的是弦网液体。
什么是电子？电子就是电荷。在弦网的图像中，电荷就是弦的末端。对于有两个电荷，这两点是27条弦的末端，两个粒子各带27个单位的电荷。由于电荷是弦的末端，说明电荷是量子化的。
在正电荷和负电荷之间，有很多弦网连接这两个电荷。在有很多弦网的区域里，有强的电场。另一个区间里只有较少的弦网，说明只有弱的电场。由两个电荷的电场提供的图景，确实可以反映两个电荷周围存在的电场。
麦克斯韦认为，正、负电荷的分开与合并引起振动，将产生电磁波。按照的弦网图像，我们假设有两个电荷可以分开或合并它们。当它们分开时,就会产生很多弦网；当它们合并起来时，弦网没有足够时间返回为“0”，有些弦网缀落后,它们便会形成封闭的圈，朝着远离的方向传播，这就是电磁辐射的弦网图像。同时，它也反映了光与电子的统一。在弦网液体里，光与电子是一个事物的两个方面，中心对象是弦，光是弦的运动，而电子便是弦的末端。光与电子的弦网图像，不仅可以解释光的横向偏振以及电子的电荷，它甚至可以解释电子的费米统计性质。弦网液体不仅统一了光与电子,也统一了电磁相互作用与费米统计。
液体、晶体和弦网液体是粒子的三种不同的组织，我们可以将这三种形态看作三个不同的宇宙。试想，可能在某个其他的宇宙里，真空就像海洋的液体。在这个宇宙里，“光”被看作是液体里密度的波。如果在那儿做实验,我们将不会看到双折射，因为“光”在这里只有一个纵模。但假如在另一个宇宙里，真空是晶体，“光”会有三种偏振(一个纵模和两个横模)，所以应该会发生三折射现象。回到我们的宇宙里，光只有两种偏振，就只有双折射。我们观测到双折射现象，说明我们的真空不是液体，也不是晶体，而是“一碗面条汤”—弦网液体。
5.结束语
在凝聚态物理学中，有很多材料能够实现物相转变。从弦网的意义上讲，液态组织可通过液氦来实现,晶态组织可通过晶体硅来实现。我们遇到的一个重大挑战是，寻找一种可以实现弦网液体的材料，但至今还未发现这种物质。如果能找到这种材料，这将是很有趣的事情。假如这种材料存在，将与我们的真空极相似。当你有了这种材料，你就等于是“掌握”了一个模型小宇宙。弦网液体给予了我们一个不同的视角来重新看世界。在弦网图景中，真空就是弦网液体，弦的密度波就是光波，弦的末端就是电子和夸克。电子和夸克可以形成原子，而原子可组合成各式各样的东西，包括细胞和地球，或者智慧生命。上帝说，让光出现，我们有了光明；物理学家说，让弦网液体出现，我们有了光和物质。可以说,演生原理及其对光和电子的统一，开拓了科学的疆界和人类探索的视野，让我们可以站在新的科学前沿,尝试揭开宇宙的奥秘。
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