【原】“光”究竟是个什么样的东西？

打我们襁褓中睁开双眼感受这个光明的世界开始，我们就再也离不开“光”这个神奇的东西。它真的很神奇，它既不是固体、液体，也不是气体，既不能捧之把玩，也不能食之果腹，古往今来，人们对“光”更是一种莫名的敬仰，如光荣、光明、风光、春光……等等一大波类似的词语都是对人或物的极尽赞扬。而玩家们对于计算机性能的追求，不也可看作是一个追光的过程吗？

对于绝大多数人来说，对于光的认识应该是非常非常贫乏的，比如晒太阳为什么觉得热？光如何引起我们的视觉？为什么光有各种颜色？光是物质吗？等这些问题能答上来应该没几个，其实，光的本性困扰着古往今来的所有物理学家，科学家们对光的认识也是历经曲折。

科学家们对光的认识：粒子还是波？

关于光的第一个系统的理论是惠更斯1690年的《光论》，惠更斯认为光是一种光源发出的机械波。不久之后，牛顿在1704年发表《光学》提出一个截然不同的理论，此时距离他提出万有引力定律、建立整个经典力学已经足足过去17年。牛顿力学仍是今天大部分物理学的基础，但牛顿的光学体系早就已经支离破碎，可见对光的认识有多么困难。牛顿认为光是从光源发出的高速直线运动的弹性微粒流，这些粒子就像小弹珠一样，不同的弹珠有不同的颜色，它们携带能量，所以不断照射可以生热。

牛顿与惠更斯的粒波之争

不过牛顿的理论几乎没有任何证据，他最有力的证据是他是英国皇家科学院院长。但是科学从不迷信权威，后来的实验发现了光具有和水波非常相似的性质，惠更斯的波动说风靡一时。然而，牛顿毕竟还是牛顿，他提出的微粒说沉寂了201年后，在1905年又被爱因斯坦拿出来成功解释了光电效应，并因此获得诺贝尔物理学奖。没错，爱因斯坦不是因为相对论，而是因为光的微粒说获得诺贝尔物理学奖！牛顿的棺材板是不是要压不住了？两百年前我就说过的东西，你们还搞不懂。

概括起来，人们对光的认识经历了几个这样几个阶段：

1. 惠更斯和牛顿相继提出两种理论，都没有足够的证据，由于牛顿是院长，微粒说占据主流；（牛顿发现的三棱镜色散现象，证明了白光由七种单色光组成，用这两种理论都解释得通。）

色散的微粒解释

色散的波动解释

2. 直到1801年一个叫杨的人做了一个实验，证明了光是一种波，波动说又占据上风；（这是后面重点要讲的）

3. 1864年麦克斯韦方程组横空出世，预言了光是一种电磁波，虽然不同于惠更斯所说的机械波，但波动说的地位更加难以动摇；

电磁波

4. 1887年赫兹发现了光电效应，但无法用波动说解释，1905年爱因斯坦又提出光子说，用量子的观点解释了光电效应；（光电效应：用光照一块金属板，金属板中的电子会被打出来，这种电子称为光电子。下图金属板连在验电器上，就可以检测出跑出来的电子的数量。）

光电效应

5. 1923年德布罗意提出物质波，认为所有物质都对应着一种波，标志着“波粒二象性”概念的建立，光既是粒子也是波。

探索光的本质

接下来我们就随着历史上物理学家的步伐，探索一下光是什么。

要想深入了解光的本质，先要弄清楚波到底是个什么玩意。生活中我们经常会看到波，比如水波、甩动绳子的一股股波，像这样：

水波

绳子中的波

这些波都是机械波，它们在介质中传播，比如水要依赖一个个水分子来传递这种振荡，绳子的每个质点扯动它附近的绳子以传播波；最开始光的波动说也认为光是一种机械波，在“以太”中传播，而麦克斯韦预言光是一种电磁波，是电场和磁场的交替变化在传播，不需要介质，可以在真空中传播。1887年迈克尔逊和莫雷证明了宇宙中不存在“以太”这种东西，证实了麦克斯韦的预言（没错，也就是在这一年，光电效应被发现，波动说无法解释）。

但无论是机械波还是电磁波，既然都叫做波，必然有一种共性，那就是波的本质——干涉叠加。想象绳子中有两列传播方向相反的波，就会是这样：

波的叠加

红色和蓝色代表两列单独的波，把它们的幅度代数相加，黑色则是绳子实际的振动情况。这样两列或多列独立的波在空间上相遇时产生的叠加，我们就叫干涉。

在介绍那个叫杨的人的实验之前，还要了解波的另一个特性，就是衍射。衍射就是波绕过障碍物继续传播的现象。生活中最常见的就是水波的衍射，水波经过一个缝之后，就会是这个样子：

宽缝衍射

狭缝衍射

缝的宽度越窄，衍射作用就越明显。

是不是平时如果窗户开了一条很小的缝就会很吵，把窗户关死就立刻安静下来了？这完全是因为声波衍射的结果。声波的波长一般在零点几米到十几米左右，门缝的宽度就算一厘米，相比波长是非常小了，所以衍射效果很明显。我们的收音机、手机信号也都需要通过衍射来传到我们手机，如果你在一个密闭或者偏僻的角落信号就会很差了。

但是，光的波长在几百纳米，波长非常小，所以门缝什么的对它来说都太宽了，所以我们一般说光沿直线传播，就是认为它没有衍射作用。1801年，托马斯·杨巧妙设计了一个实验，让一束相干光经过两个很小很小的狭缝，如果光是波，就应该会像水波一样干涉：

水波干涉

而如果光是粒子，则应该会像子弹枪一样（一个子弹枪扫射，如果只开1孔，墙上的子弹分布应该会像P1一样，2孔亦然，如果两个孔都打开，毫无疑问墙上的子弹分布就是P=P1+P2）：

事实是，光像水波一样。杨氏双缝干涉的结果是这样的：

杨氏双缝干涉

光通过双缝后没有照亮整个屏幕，而是出现明暗相间的条纹。这充分说明了光是波，而不是粒子！托马斯·杨说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”几十年后，麦克斯韦的方程组告诉我们，光是一种电磁波，它是由于变化的电场和变化的磁场相互激发以在真空中传播，彻底解释了光的波动性的物理基础。

看起来，光是一种波已经无可争议了。但很快风云突变，赫兹的光电效应无法用麦克斯韦的方程解释。光电效应的诡异现象在于：如果增大入射光的强度，跑出来的光电子的速度并不会增大，仅仅是数目变多，看起来，每个电子都有自己的配额，注入能量越多，获益的电子越多，但每个电子不会获得更多的能量。波动说无法解释这一现象，物理学再次陷入了困境。

1905年的爱因斯坦，26岁（孩子都两岁大了），连发5篇论文，3月份用一篇论文解决光电效应并因此或诺奖，4月份用另一篇论文取得博士学位，5月一篇论文创立狭义相对论。开了挂吧？光电效应的解释是，光是一种粒子（光子），每个光子都具有一个特定的能量值，这个值只和这个光子的频率有关（光子哪来频率？？其实是说的这个光子对应的电磁波的频率，这就为日后的波粒二象性埋下了伏笔）。

光电效应中每个电子只吸收一个光子，所以当增大光强时实际上是增加了光里面的光子数目，所以被打出来的光电子就变多了，但每个光电子获得的能量还是一样的，速度不会增加；如果改变入射光的频率，相当于改变了每个光子的能量，频率越高光子能量越大，如果光子的能量太小（频率低于那个阈值），就不能激发光电子，光电效应就没有了，这也符合实验现象。所以我们平时看到的火焰，蓝色的光子频率高，温度也就高，红色黄色的就不行了，烧菜都要用蓝色外焰烧哦~

看起来，波动说和粒子说公说公有理婆说婆有理，有时候粒子说解决不了的问题就用波动说解释，波动说解释不了的粒子说凑数。还可以这样的吗？

20世纪以前的物理学家，有研究力学的、热学的、电学的、光学的，而20世纪的物理学家，全部都是研究量子力学的。1927年第五次索维尔会议合影（下图），相信很多童鞋都知道这是最天才的一张照片，29人中有17人获得诺贝尔物理学奖（当然，居里夫人还获得了化学奖）。索维尔会议，就是召集全天下最聪明的科学家来讨论量子力学，因为没有一个人能搞明白量子力学。

1927年索维尔会议，科学界的超豪华阵容

量子力学的产生，就从1900年普朗克提出量子假说、1905年爱因斯坦引入光子开始。1923年德布罗意说：任何一个物体都对应一种波，每个物体都有波粒二象性。我们先来看看1961年的电子干涉实验，这个实验被《Physics World》评为物理学史上最美的实验。它美就美在用电子做出了跟杨氏干涉完全一样的结果（像之前的子弹枪一样，这次用电子枪扫射）：

电子干涉

这说明，电子也像光一样，可以表现出跟乒乓球不一样、而跟水波一样的干涉叠加的性质。这证明了德布罗意的说法，我们有理由因此相信任何物体都具有波动性。什么？那子弹枪那个实验为什么没有波动性？实际上，根据德布罗意给出的计算公式，对于子弹来说，波长是如此之短，以至于干涉图案变得非常细密，细密到人们用任何探测器都无法分辨，我们所看到的子弹的分布只是干涉的一种平均（下图右）。

各位童鞋一定承认我说得好像很有道理，但还是不太相信，所有物质都对应一种波？啥意思？德布罗意自己也搞不清楚。1926年马克思·玻恩提出统计诠释，认为这种波是一种概率波，即粒子出现在空间某一位置的概率，所以大量电子或光子可以体现出波动性，他们出现在不同位置的概率有的位置大有的位置小，就表现出了干涉的图样。

后来，人们可以控制光子一个一个地发射，每个光子通过双缝后，都会打在接受屏的某一个位置，这是妥妥的粒子性。但每次同样地发出一个光子，光子最终到达的位置是不一样的，如果一个一个发射很多很多的光子，他们就会按照概率的统计分布在屏幕上，形成干涉图样（单光子干涉）。少量光子往往体现粒子性，而大量光子则体现波动性。

光是物质，它携带有能量，是波也是粒子

等等等等生活中的光学现象，只要从粒子性和波动性两个角度考虑一下，没有什么解释不了的呢。故事也听了，知识也学了，自己能说清光是什么了吗？来来来，划重点，1801年的杨氏干涉说明光是波，1905年爱因斯坦光电效应说明光是光子，1961年电子干涉实验证明一切物质都既是波也是粒子，叫做波粒二象性。

现在明白光是什么了吧？现在想想开头提出的问题。为什么晒太阳会热？因为光子携带能量，也因为电磁波传输能量。光如何引起我们的视觉？因为有光子打在我们的视网膜上，也因为电磁场的振荡引起视神经的反应。光为什么有各种颜色？因为不同频率的光子携带的能量不一样，电磁场的振荡速度也不一样，引起视神经不同的感觉。光是物质吗？是的，光具有能量和动量，当它照在靶上时会产生压力，称为光压，小编将来的研究方向就是光压驱动其它粒子加速哦。