光究竟是什麼?關於光本質的百年探索史

樹林中透出的光線：光是我們體驗這個世界的基礎，人類的眼睛是光子探測器，我們藉助可見光了解我們身邊的世界

通電的導線周圍會產生磁場，在這個磁場的作用下，鐵屑發生定向排列

然而情況其實並沒有那麼糟糕，光的本質問題當然曾經在數百年裡難倒了世界上最偉大的一些物理學家，但在過去的150年間，科學界在對光的本質研究方面取得了一系列的突破性進展，向世人揭示了光的神秘本質。因此，到目前的階段，我們已經多少知道了該如何回答這些問題。

今天的物理學家們不僅理解光的本質，甚至他們還正在嘗試在越來越高的精度條件下控制光的行為，這就意味著在未來某一天，光或許將以一種嶄新的面貌被人類所利用。這一廣袤前景也正是聯合國將2015年確定為「國際光年」(International Year of Light)的原因之一。

世界上第一張彩色照片，由麥克斯韋拍攝，時間是在1861年

光是一種輻射

有很多種方式可以解釋光是什麼這個問題，但這個解釋或許是最通俗的：光是一種輻射。

這種解釋將有助於人們的理解。比如我們都知道，接受過多的日光照射容易引發皮膚癌。我們也知道暴露在輻射環境之中可能會引發某些種類癌症的發病風險，因此，將這兩者聯繫在一起應該並不困難。但並非所有的輻射都是相同的。事實上，直到19世紀末，科學家們才最終找出光輻射的真正本質。

不過，比較有趣的是，這些發現本身並非來自對光的研究，而是來自數十年來科學家們對於電和磁性現象的研究。電和磁看上去似乎是非常不同的兩種事物。但在像奧斯特和法拉第這樣的科學家的眼裡，這兩者是緊密關聯的。奧斯特發現，放置在通電導線旁的指南針會發生偏轉，而法拉第則發現，在磁場中運動的導線內部會產生電流。

當時的數學家們開始嘗試基於這些觀察創建一種理論來為這一被稱作「電磁」(electromagnetism)新現象給出解釋。但直到詹姆斯·麥克斯韋的出現，才迎來有關這一問題的完整解決。

麥克斯韋是一位科學巨匠，他對科學作出的貢獻是難以估量的。愛因斯坦同樣是受到了麥克斯韋的啟發，他曾表示，麥克斯韋永遠地改變了這個世界。拋開他其他方面的成就不談，麥克斯韋的計算幫助揭示了光的本質。

麥克斯韋的工作首次從理論上證明了，電和磁場的運動都具有波的性質，並且這種波的運動速度基本上是光速。通過這一結論，麥克斯韋進一步推斷光本身可能也正是由電磁波所攜帶的——這就意味著光是一種電磁輻射。到了1880年代，就在麥克斯韋離世之後不久，德國物理學家赫茲首次證明，麥克斯韋關於電磁波的理論概念是正確的。

1850年代，麥克斯韋曾在英國阿伯丁大學工作。而在今天，同樣在該校工作的物理學家格雷漢姆·豪爾(Graham Hall)指出：「我確信，如果麥克斯韋和赫茲能夠活到諾貝爾獎頒發的年代，他們兩人將毫無疑問的分享一次諾貝爾獎。」

事實上，麥克斯韋在光學領域的重要貢獻還包括一些更為具體的原因，比如他在1861年拍攝了世界上第一張彩色照片。他拍攝這張照片使用的三色濾鏡系統至今仍然是很多彩色照相技術的基礎。

我們都被教育說，彩虹裡有7種不同的顏色

然而我們眼睛能夠看到的可見光實際上只不過是整個電磁波中非常狹窄的一小段區域

彩虹能讓我們看到可見光波段中不同波長的色光

光的顏色

光是一種電磁輻射，這一概念本身或許並不意味著很多東西。但這一觀點將幫助我們解釋一種我們都已經知曉的現象：光是由不同的顏色組成的。

這項發現還要追溯到牛頓的時代。而在日常生活中，雨後的彩虹就是光的多色本質的天然展示——而光的這些顏色便與麥克斯韋的電磁波理論直接相關。

位於彩虹一端的紅色光對應的是波長在620~750nm之間的電磁波輻射；而紫色光對應的則是波長在380~450nm之間的電磁波輻射。但在這些具體可見的顏色之外，還存在著比這多得多的電磁輻射。波長比我們看到的紅光更長的光被稱作紅外光，而波長比我們看到的紫色光更短的光則被稱為紫外光。

德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家埃利弗舍瑞奧斯-古爾利馬基斯(Eleftherios Goulielmakis)表示，很多動物能夠看到紫外光，甚至有一部分人也可以。而在某些特定的情況下，人眼甚至能夠察覺紅外光。這可能也體現在了我們的語言習慣中：你會發現，在英語中我們將紅外光(infrared light)和紫外光(ultraviolet light)稱為「光」(light)，但對於那些波長比紅外光更長，或是比紫外光更短的電磁波，我們就不再將它們以「光」來命名了。比如波長比紫外光更短的是X射線(X-ray)和伽馬射線(gamma ray)。古爾利馬基斯舉例說：「一位醫生會說，我要用『X-ray』(X射線)照射目標，他不會說我要用『X-ray light』(X射線光)」。但相比之下，在中文語境中這種傾向似乎並不明顯，比如我們會很自然的說紅外線，紫外線，還有去醫院拍X光。

在另一端，電磁波的波長也可以遠遠超出紅外波段，其波長達到1釐米甚至是數千公裡。這樣的電磁波擁有一些我們非常熟悉的名字：微波和無線電波。當然，對於普通的民眾來說，他們收聽廣播電臺的無線電波竟然和光本質上是同一類東西，這一事實會讓他們覺得難以理解。

古爾利馬基斯表示：「從物理學的角度來看，無線電波和可見光之間並沒有什麼區別。描述它們的方程式和數學方式是完全一樣的。」事實上，正是因為我們的日常語言中給予了它們不同的名字，才造成似乎兩者是有差異的這種錯覺。

牛頓注意到，光在鏡面間遵循嚴格的入射和反射路徑，他意識到這是粒子流的特點

光的雙縫實驗以及得到的明暗幹涉條紋。這一著名實驗證明光具有波的性質

這樣，我們對於光就有了另外一種定義——它是電磁波中非常窄的一個波段範圍，也就是我們人眼能夠感知到的電磁波波段範圍。換句話說，我們所謂的「光」其實是一個非常主觀的概念：只有我們看得到的電磁波才是光，我們看不到的就不是。而要想知道我們對於光的概念是多麼主觀，讓我們再次回到彩虹的話題，

我們中的大多數人都知道彩虹有7種主要顏色，即所謂赤橙黃綠青藍紫，在不同文化中，我們都創造出一些小口訣甚至歌曲來幫助我們記住這些顏色。當你觀察清晰呈現的彩虹，你或許會讓自己確信，的確存在這樣的七種不同顏色。然而，當年的牛頓卻發現自己難以看到全部這7種顏色。

事實上，研究人員現在傾向於認為，之所以牛頓將光線分成了7種不同的顏色，僅僅是因為「7」這個數字在西方文化中佔有特殊地位，如七聲音階，以及一周內的天數。而麥克斯韋的工作則帶領我們完全超越了這一高度，證明了可見光只是更寬廣尺度上電磁波的一部分。這基本上可以說是最終解答了光的本質問題。

通過狹縫之後，原本平行的光線變成類似水波的形態

是粒子還是波？

但在另一個方面，科學家們數百年來也一直致力於想要弄清楚，從最基礎的層面上，光究竟是以何種方式存在並傳播的？

一部分科學家認為光的形式有點類似波或水裡的波紋，它可能是藉助空氣或是另一種難以捉摸的神秘物質「以太」來進行傳播的。但另外一些科學家則認為這種看法是錯誤的，他們指出，光應當是一束粒子流。

牛頓更傾向於第二種理論，即光的粒子說，尤其是在他使用光和鏡子進行了一系列的相關實驗之後，牛頓更加堅信光是粒子流的理論正確性。

牛頓在實驗中注意到，光的傳播遵循嚴格的幾何法則。如果你正對一面鏡子並射出一束光，它一定會原路反射回來，這跟你射出一個小球擊中鏡子之後反彈回來是完全一致的。牛頓認為如果光是波，不應當會具備這種粒子的特性。據此，牛頓推斷光必定是由某種非常微小的，沒有質量的粒子所組成的。

但這一理論存在一個嚴重的問題，那就是同樣有實驗證據，證明光具有波的特性。其中最著名的一項實驗是在1801年進行的。英國物理學家託馬斯·楊(Thomas Young)開展了他著名的「雙縫實驗」，這個實驗在物理學上佔據極其重要的地位，並且實驗的原理非常簡單，每個人在家裡都可以自己進行。

具體的過程是這樣的：你需要一張厚紙板，隨後非常小心地在它上面劃出兩道細縫。隨後準備一個「純粹」的光源，也就是只會產生特定波長光線的光源，雷射則是最理想的。然後將光源對準紙板上的這兩道狹縫，並使其在狹縫後的另一個表面上成像。

在置於狹縫紙板背後的另一個平面上，你心裡的預期應該是會看到兩道明亮的光帶，因為來自光源的光線會分別穿過兩道狹縫並投射到後方的平面上。然而，託馬斯·楊發現，情況似乎有點詭異，他看到的並非兩道細細的光帶，而是一系列明暗相間的條紋，就像一條超市用的條形碼。

當光線通過狹縫時，其表現出來的行為與水波穿過狹窄開口時表現出的性質基本一致：它會發生衍射並形成半球狀傳播的波。

而在雙縫實驗中，當「光波」穿過兩道狹縫並彼此相遇，且波峰面對對方的波谷時，它們相互抵消，形成暗帶；而當波峰與波峰相遇時，它們相互疊加，從而形成亮帶，於是，明暗相間的「條形碼」條紋便出現了。

託馬斯·楊的理論無可爭議地證明了光波理論的正確性，在加上麥克斯韋的工作已經在數學上為光是一種波的理論奠定了堅實的數學基礎，於是科學家們大舒了一口氣：終於塵埃落定了，光是一種波！

白熾燈泡利用能夠產生電磁輻射的材料製成。光是一種電磁輻射

稜鏡將光線分解為不同波長的色光

光是粒子

但噩夢還沒結束，量子革命開始了！

在19世紀下半頁，物理學家們想要弄清楚一個問題，那就是為何在吸收和輻射電磁波方面，某些材料的性能要比其他材料更好。儘管現在看來這似乎也沒有什麼，但由於在當時電燈產業正剛剛起步，因此任何能夠輻射光的材料都是被重點關注的對象。

到了19世紀末，科學家們已經意識到，一個物體輻射出電磁波的多少取決於它自身的溫度，不同的溫度會產生不同量的輻射。科學家們已經注意到這種關聯，但沒有人能夠回答為何會是這樣。

1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克(Max Planck)解決了這個問題。他發現，通過計算可以解決這一問題，但前提是必須將電磁輻射視作是單獨的「小份」構成的。普朗克將這種「小份」稱作「量子」。數年後，愛因斯坦給予這一思想，再次成功地為另外一個棘手的實驗現象給出解釋。

透過雲層看到的陽光

光讓我們能夠感受身邊的世界

此前物理學家們注意到，用可見光或紫外光照射一塊金屬板，金屬板會帶上正電荷，他們將這種現象稱作「光電效應」，但對於究竟為何會出現這種現象，物理學家們都感到困惑不已。

愛因斯坦指出，這一現象背後的本質是金屬板中的原子在這一過程中失去了帶負電的電子。很顯然，照射金屬板的光為這些金屬原子帶來的足夠的能量，讓其中的一部分電子能夠掙脫原子結構的束縛。

然而，如果更加仔細地審視這些電子的行為，就會發現一些詭異的現象。科學家們發現，只需要改變照射光的顏色，我們就能輕鬆改變光攜帶的能量大小。尤其是，科學家們注意到，相比接受紅光照射的金屬板，接受紫光照射下的金屬板釋放出來的電子擁有更高的能量。既然如此，那麼如果光僅僅是一種簡單的波就難以解釋了。

一般來說，要想讓某種波的能量更強，你需要使它變得「更高」——想像一下海嘯衝向陸地時的畫面——而不是讓波本身變得更長或是更短。由此推斷，要想讓照射金屬板的光能夠為金屬板釋放出的電子傳遞更多的能量，那就應當讓光這種波更「高」，簡單來說就是，增加光照的強度。而改變光的波長，也就是顏色，不應該會產生什麼改變才對。

神秘的糾纏粒子。成對的糾纏粒子之間，任一成員粒子的狀態發生改變都會立即引起另一個粒子的相應變化，這種影響不受時間與距離限制

透過雲層的光：它究竟是波還是粒子？

在這一令人困惑的現象面前，愛因斯坦意識到，使用普朗克提出的光的「量子化」思想，能夠很好地解決這一問題。愛因斯坦提出，光是由許許多多微小的「能量單位」組成的。這種離散的能量單位與光的波長直接相關：波長越短，則其中的能量單位越密集。這樣就能夠解釋為何波長較短的紫色光會比波長較長的紅色光攜帶有更多的能量。

它也可以解釋為何單純增加光照亮度並不會對金屬板的電子釋放產生什麼影響——在更亮的光照條件下，光源的確會向金屬板傳輸更多的「能量單位」，但並不會改變每一個「能量單位」內所包含的能量大小。通俗的說就是，單一一個紫色光「能量單位」能夠為一個金屬板中的電子傳輸更多的能量，而紅色光的「能量單位」不管有多少數量，也達不到這樣的目的。

愛因斯坦將這些「能量單位」稱為「光子」。現在，光子已經被物理學界作為一種基本粒子予以承認。可見光是由光子構成的，其餘所有的電磁波，包括X射線，微波和無線電波也都是一樣。換句話說，光是粒子。

光的波粒二象性以及它的價值

到了這個階段，物理學家們決定結束這場關於光是波還是粒子的曠日持久的爭執——這兩種模型都擁有確鑿的實驗證據，因此無法否定其中的任何一種。讓很多非物理學專業的人士感到困惑不已的是，物理學家們最終確認，實際上光輝同時表現出粒子與波的特性。換句話說，光具有波粒二象性。

但對於物理學家們而言，他們倒並不覺得光的這種雙重身份帶來了什麼不便。相反，這讓光變得更加有用。今天，在當年的先驅者們——如麥克斯韋和愛因斯坦等建立的基礎之上，科學家們正在進一步探尋利用光的這些特殊性質的途徑。

物理學家們逐漸意識到，儘管光的波動方程和粒子方程都能非常好的描述光的行為，但在某些特定的情況下，其中的一種描述方程會比另外一種更容易應用。因此物理學家們會根據不同情況在這兩種描述方式之間進行選擇切換，就像在生活中，同樣是對長度的描述，但我們會用米來描述我們的身高，但會用公裡來描述車的行程一樣。

一些物理學家正在嘗試利用光來實現加密通訊，比如用於安全的資金轉帳等等。對於他們來說，在開發這些功能時是把光看作了粒子。

這是由於量子物理學的另外一項奇異性質：兩個基本粒子，如一對光子，其兩者之間可以相互「糾纏」。這樣的糾纏粒子之間存在一項令人驚異的性質：無論兩者之間相距多遠，它們之間都可以共享某些相同的性質，因此人們便可以利用這種性質來實現地球上不同兩點之間的信息通訊。

這種糾纏粒子的另外一項性質是，當對其進行觀察時，將會改變糾纏粒子的量子態。因此，從理論上說，如果有任何人試圖窺探使用了量子光學技術加密的信息時都將會立刻暴露。

而另外一些物理學家則更加關注光在電子學領域的應用。對於他們來說，將光視作是可以被操控的電磁波將會更有意義。

利用光的性質開發光學計算機，將大大提升未來計算機的性能

2004年，科學家利用持續時間僅約250阿秒的光脈衝作為相機閃光源，成功拍攝到可見光的單個波形圖像，從而首次捕捉到了光波在空間中運動的圖像，這在以前是不敢想像的

一種被稱為「光場合成器」(light field synthesisers)的現代設備可以非常精確的方式實現光波之間的同步性。這樣它就可以產生相比普通燈泡發出的光線強度更高，持續時間更短並且具備方向性的光波脈衝。

在過去的15年間，這樣的設備被廣泛用於對光的控制。在2004年，埃利弗舍瑞奧斯-古爾利馬基斯和同事們成功創造出極短的X射線脈衝，每個脈衝的持續時間僅有250阿秒，一阿秒相當於100億億分之一秒(10的負18次方秒)。

使用這種極短的光脈衝作為相機閃光源，研究組成功拍攝到可見光的單個波形圖像，後者的震蕩周期要比這種脈衝持續時間長得多。他們幾乎拍攝到了光波在空間中運動的圖像。

古爾利馬基斯表示：「我們從麥克斯韋的時代起就已經知道，光是一種震蕩的電磁場，但在此之前還沒有人能夠想到，有朝一日我們甚至可以直接拍攝到真實的光波影像。」

能夠看到單獨的光波是邁向控制和利用光波傳輸信息的第一步。目前我們已經利用波長更長的電磁波實現了信息傳輸，如我們利用無線電波傳輸廣播和電視信號。

大約一個世紀以前，光電效應向世人證明了可見光會對一塊金屬板內的電子產生影響。古爾利馬基斯表示，未來我們將有希望對這些電子實現精確操控，方法是利用受控的可見光波，以一種精確的方式作用於金屬板。他說：「我們能夠控制光波，通過它，我們還將能夠控制物質。」

這一前景一旦成為現實，電子行業將迎來一場新的革命，從而導致新一代光學計算機的誕生，這類計算機將比今天我們所使用的計算機體積更小，運算速度也更快。古爾利馬基斯表示：「要製造那樣的計算機將需要控制電子，使其按照我們預想的方式運動，並利用光波控制電流在固體中的流動，而不是傳統的電路方式。」

於是，我們對光又有了一種新的描述方式：光是一種工具。

這樣的想法其實並不新鮮。自從地球上最早的生命誕生以來，生命就一直依賴陽光而獲得能量。人類的眼睛是光子探測器，我們藉助可見光了解我們身邊的世界。

而現代技術只不過是讓這個想法更向前進了一步。在2014年，諾貝爾化學獎授予了發明一種強大顯微鏡技術的研究人員，這種顯微鏡的能力強大到令人難以置信，甚至一度被認為在物理學上是不可能實現的。可以預見，隨著技術的進步，光學還將帶領我們目睹更多前所未見的奇景。