什么是光

科学网：王宏琳的博客

什么是光？最直接的理解是，因为有光，人和动物可以感知世界，并与之互动；因为有光，植物能进行光合作用，得以生存和生长。

在人类试图了解周围世界的过程中，光占据了异常特殊的重要位置，即使《圣经》中也有多处关于光的经文。《圣经》创世纪第一章就提到，“神说，要有光，就有了光（And God said,'Let there be light’，and there was light）”。在美国一流大学的校训中，据统计出现最多的字是“Light（光）”，其次才是“Free（自由）”和“Knowledge（知识）”。例如加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校和华盛顿大学的校训，都引用了《圣经》里的“Let there be light（要有光）”。

自古以来，什么是光一直吸引着我们人类的思考。我国古代，春秋末-战国初期（约公元前476年~公元前390年），墨子及其弟子著的《墨经》中就记载了光线沿直线行进的性质，并记载了发现光的小孔成像。什么是光涉指的是光的性质问题，历史上的科学家或学者提出了一些不同的光理论，但在当今最具影响的则是：牛顿的光微粒说，惠更斯的光波动说等，以及麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦的光量子理论。

中古时代：人类对光和光传播的不同理解

古埃及人认为，光是他们最高的神太阳神的目光，而古希腊人的观点正好相反。毕达哥拉斯认为人类眼睛内部的火焰照亮了世界，柏拉图认为只有当眼睛的火焰与日光（太阳之火）相遇并结合时，视觉才有可能出现。

毕达哥拉斯、欧几里德和托勒密都认为光是直线运动的，但他们并不认为光线是从一个物体传播到人的眼睛，而是眼睛发出视觉光线，就像触角一样接触到物体，从而在大脑中产生视觉感觉。公元前3世纪，欧几里得指出，把一根针丢在地上，你寻找它可能会惊讶地感觉不是立即见到针，如果光线从一个物体瞬间射向眼睛，你应该立即看到针，他认为不立即看见针的原因在于搜索地面的视觉射线尚未触及到针，只有当视线触及针的一瞬间，你才看到了它。

公元1000年，一位名叫伊本·海赛姆（Ibn Al-Haytham，965-1040年）的波斯科学家，用逻辑和实验相结合的方法，证明了光并不是从我们的眼睛射出，而是进入眼睛，从而产生视觉。海赛姆绰号“托勒密二世”和“物理学家”。他指出，你长时间看太阳不会不感到痛苦，而当你盯着一个明亮物体看半分钟，然后闭上眼睛，这个物体的彩色图像就会浮现在眼前。这说明一定是物体发出的东西进入了人的眼睛。

14-17世纪欧洲文艺复兴时期，意大利博学家列奥纳多·达·芬奇认为眼睛是一个暗室——光线通过一个小孔（瞳孔）进入眼睛并在后部（视网膜）产生外部场景的倒像。1604年，天文学家约翰尼斯·开普勒解决了光线如何在眼睛内折射以及在视网膜表面产生图像的问题，并首次采用“暗箱”术语描述光传播效果，所以暗箱在17世纪成为人类对视觉模式的主流认识。

17世纪：光粒子说与光波动说的碰撞

在十七世纪，一场关于光的本性的辩论展开了。荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629/04/14-1695/07/08）认为光是一种波，而英国著名的物理学家、数学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643/01/04-1727/03/31）则认为光是一种粒子，是微粒流。

艾萨克·牛顿从1666年开始光学实验，他主张光微粒理论。牛顿认为，光源发出许多微小的、弹性的、刚性的、无质量的粒子（称微粒），这些粒子以极高的速度沿直线向各个方向穿过透明介质，一些微粒进入我们的眼睛并产生视觉感觉。由于微粒的大小不同，它们产生不同的颜色。这些光粒子被反射面排斥，却被透明材料吸引。牛顿的微粒理论可以解释光的直线传播，解释光的反射和折射。但微粒说存在诸多缺点：1).牛顿的微粒理论预测光速在光密度较大的介质中比在光密度较小的介质中更快，但实验观察否定了这一点。2).根据微粒理论，牛顿对部分反射和折射的解释不能令人满意，也未能解释光的干涉、偏振和衍射现象。3).既然光是粒子，那么长时间连续发光的光源应该略有质量下降，这也没有实验证据。

1672年，牛顿在《哲学会报》上发表了关于光的微粒说论文，事后胡克、卢卡斯、利尼斯等人就相继表示反对。胡克认为：光是以球面波的形式快速且小振幅振动地向四面八方传播。1675年之后，惠更斯、莱布尼兹、伯努利兄弟等也加入了支持光波动说的争论。

1678年，惠更斯提出波动说，并于1690年发表《论光》（Traité de la lumière）。惠更斯认为：光源以波的形式发光，光波就像声波一样，本质上是纵波（纵波是质点的振动方向与波的传播方向平行的波）。光波从光源向四面八方传播，并通过在视网膜中产生振动，而被检测到。光的各种颜色是由光波的不同波长造成的。光波在真空中传播，是因为存在一种称为发光以太的假设介质。以太粒子无处不在，具有惯性、零密度和完全透明等特性。波动理论能够解释光的反射、折射、衍射、干涉、偏振和全内反射现象，正确地预测了光在光密度较大的介质中的速度小于光在光密度较小的介质中的速度，此与实验结果相一致。但惠更斯的波动理论也有缺点：1).光的波动理论假设存在以太介质，但实验上证明不存在以太。2).波动理论无法解释光的直线传播、光的偏振等现象。3).惠更斯的波动理论假设光波本质上是纵向的与实验不符。

19世纪初：光波动说的复兴

从17世纪末开始，由于牛顿的声誉和影响力，光的微粒说在欧洲得到广泛认可。到了19世纪初，托马斯·杨（Thomas Young，1773/6/13-1829/5/10）和奥古斯丁·让·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788/5/10-1827/7/14）等科学家的研究工作挑战了微粒说，使光的波动说得以复兴。

1801年，托马斯·杨在皇家学会发表论文，重新肯定了波动说。他所进行的巧妙的光干涉实验，表明了光线像声波一样相互干涉。他还提出光是横波的观点（横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直），纠正了自惠更斯以来光是纵波的传统见解，进一步发展了波动说，并建立了波动光学的基本理论。1803年11月24日，他告诉伦敦皇家学会：我的实验（即“双缝”实验）“无论何时阳光普照，都可以轻而易举地重复进行”。“双缝”实验是将单一频率的光通过不透明薄片上的两个平行开口照射到另一个屏幕上，托马斯·杨说，假如像牛顿推测的那样光是由粒子流组成的，你会在屏幕上看到两条不同的光带吗，粒子在穿过一条或另一条狭缝后聚集在一起？但事实并非如此。相反，你会看到许多明暗相间的条带排成一条条条纹，这是一种干涉图案。

1818年，菲涅尔用波动说很好地解释了光的干涉，并用数学来阐述波动理论，奠定了波传播的理论基础，从而建立了经典波动光学。他导出菲涅耳方程，用来描述光在不同折射率的介质之间的行为，是光学史上的又一大事件。按照菲涅尔方程，当光线碰撞到一个表面时，根据观察角度我们可以知道被反射的光线所占的百分比。

19世纪中：光是电磁波

从1834年到1845年，英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791/9/22-1867/8/25）引入了电场与磁场的概念，发现磁场会影响偏振光。他的实验于1845年在伦敦进行，他将一块致密的玻璃放在电磁铁的两极，然后让偏振光（在一个平面内传播而不是向所有方向传播的光）穿过玻璃。当他接通电流时，光的偏振态发生了变化，证实了光和玻璃都具有磁性这一现象被称为磁光效应或法拉第效应，也是法拉第发展电磁场理论的关键实验。七年之后，他又引入磁力线概念，为建立经典电磁学理论奠定了基础。

1865年，经典电动力学创始人，英国物理学家、数学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831/6/13-1879/11/05）提出了光的电磁波理论，用完美的数学公式即麦克斯韦方程组，证明了法拉第的电磁理论猜想。同时，麦克斯韦进一步证明了这些“电磁波”的速度恰好是光速。他还指出“光和磁力是同一种物质的不同状态，而且光是一种遵从电磁学定律在电磁场空间传播的扰动”。他认为电磁波的传播不需要任何介质，可以在真空中传播。1888年，德国物理学家海因里希·赫兹通过实验证明了电磁波的存在。

20世纪初：量子二象性

在波粒之争基本已经尘埃落定，波动说似乎已被证明是正确的19-20世纪之交，由于德国物理学家马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858/4/23-1947/10/04）、阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879/3/14-1955/4/18）等人关于量子和光量子的工作，揭示了光和物质的一种奇怪的第三种可能性：波粒二象性（光和物质都表现出波和粒子的双重特性），它是量子力学中的一个核心概念。

1900年12月14日被称为量子理论的诞生日。这一天，普朗克在德国物理学会的例会上作了《论正常光谱中的能量分布》的报告，他指出，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍，其变化的最小值是E=hf，称为能量子。h被普朗克称为“基本作用量子”（后来被命名为普朗克常数），f是电磁辐射频率。

1905年，爱因斯坦提出了“光子（photon）”或“光量子（light quanta）”的概念。爱因斯坦在分析了光电效应（某些金属在受到辐射时释放电子的方式）后提出，如果入射光由大小为hf的能量子组成，就可以构建光引起电子发射的机制。这样，不仅光的发射和吸收被量子化，光本身也被量子化。也正是他的发现，结束了波动说和微粒说的争论，让物理学家们接受了光既具有波动性又具有粒子性的本质。同年，爱因斯坦创立的狭义相对论，更是基于他的惊人发现即光速不变（光速不因参考系的选取而改变），同时他还提出了著名的质能方程 E=mc²，为现代光学的发展奠定了理论基础。

爱因斯坦的狭义相对论也为他的广义相对论奠定了基础。1915年他发表的广义相对论，预言了光线在宇宙空间中受到引力场作用发生弯曲。1916年，他还预言“原子和分子可以产生受激辐射”，指出如果能让受激辐射继续去激发其它粒子，进而造成类似雪崩一样的连锁反应来放大效果，最后就能得到单色性极强的辐射，也就是我们现在所称的激光。

20世纪：物质的波粒二象性

1923年，巴黎大学研究生路易·德布罗意（Louis de Broglie，1892/8/15- 1987/3/19）提出：如果光可以被认为具有类似波和粒子的性质，那么实物粒子可能也具有二象性。他用一个公式来描述物质波动特性的方程：λ=h/p，其中λ是波长，h是普朗克常数，p是动量（p等于物体的速度乘质量）。显然，大质量物体的波长非常小，以至于以波的方式来看待它们没有意义。但是对于小物体来说，波长是可以观察到的，意义重大。很快，德布罗意这一观点有了理论支持和实验证据：物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger ，1987/8/12-1961/1/4） 、沃纳·海森堡和保罗·狄拉克据此创建了量子力学理论；1927年，美国物理学家柯林顿·戴维孙和莱斯特·热默通过实验确立了电子的波动性质，英国物理学家乔治·佩杰特·汤姆生也独立地确立了这一性质；1928年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔为了解释量子现象的波粒二象性，提出了“互补原理”。

单个光子可以被视为粒子或波，因此基于单个光子的杨氏双缝干涉条纹被解释为自干涉。1965年，理查德·费曼曾经在加州理工学院专门探讨了在双缝实验中发射的单电子产生干涉图案的原理，费曼认为他的思想实验永远不可能实现，但到了2012年，意大利物理学家斯特凡诺·弗拉博尼和合作者实现了真正的单电子双缝实验（杨-费曼实验），表明单个光子可以以某种方式干扰自身。

波粒二象性的主要意义在于，光和物质的所有行为，都可以通过使用表示波函数的微分方程来解释（通常采用薛定谔方程的形式）。数学虽然复杂，但可以做出准确的预测，只是这些方程的物理意义难以把握。试图解释波粒二象性“实际上意味着什么？”它是量子物理学争论的一个关键点。

结语

回顾探索光本性的科学历程，归结到是在围绕波、粒之争。其实，还有几个涉及光科技的大事值得一提。其一，2017年8月17日，引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)共同探测到的引力波事件GW170817，观测到了引力波的速度与光速相同，验证了爱因斯坦广义相对论关于引力在空间中的传播速度为光速的预测。其二，1965年，美国天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊测量到了宇宙微波背景辐射光子，这是宇宙中所看到的最古老、最遥远的光。其三，近几十年间，发明了若干与光有关的技术应用，例如，激光（20世纪人类重大发明之一，已经应用于医学、通信、工业诸多领域）、光导纤维（用于传输数据、声音和图像，在电信领域取代了长途电话线中的铜线，并被用于连接局域网内的计算机，还有被用作纤维内窥镜医疗器械的基础）。

光提供了一个从宇宙尺度到原子尺度的观察窗口，一方面，几乎所有关于宇宙其他部分的信息，都是以电磁辐射的形式到达地球，天文学家通过解释这种辐射可以确定恒星的化学成分，瞥见宇宙最早的时代，并测量宇宙的膨胀。另一方面，原子和分子光谱是探测物质微观结构的主要工具，并有助于基本光化学反应的研究。现在，对原子发射和吸收的光的频率的分析，成为了量子力学发展的主要推动力。

几个世纪以来，光的本性困扰了一些人类最伟大的科学家。光在某些条件下表现为波，而在其他条件下表现为粒子，若仅用粒子模型，或仅用波模型，并不能解释光的所有行为。如果光是一种粒子，那么当它从一种介质传播到另一种介质时，为什么会折射呢？如果光是一种波，那么当它撞击金属时，为什么会有电子飞出金属表面呢？现在，大多数人认为，光的所有行为，可以通过结合粒子和波两个模型来进行解释，或许，这是不得已而为之。

物理学家接受光既是粒子又是波的说法，取决于他们选择如何测量光的现象。但是，它潜在的物理本质仍然是一个谜。正如爱因斯坦在1951年所说的:“我认真思考了50年，光量子是什么？但我没有找到答案。我知道今天每个不诚实的人都以为自己知道了，但他们其实是自己在骗自己”。《捕捉世界之光》的作者、量子物理学家亚瑟·扎琼克也强调：“光在本质上仍然像以往一样神秘！”