什么是光

光是我們體驗這個世界的基礎(chǔ)。我們在黑暗中摸索，直到迎來黎明——而對于光本質(zhì)的理解，我們也同樣經(jīng)歷了同樣痛苦的過程。

通電的導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場，在這個磁場的作用下，鐵屑發(fā)生定向排列

然而，光的確是一種非常難以理解的事物：如果你用一臺放大鏡將一束光不斷放大，你會看到什么?當(dāng)然光的運動速度是極快的，但究竟是什么東西在運動?面對這樣的問題，我們中的大部分人都會覺得難以回答。

情況其實并沒有那么糟糕，光的本質(zhì)問題當(dāng)然曾經(jīng)在數(shù)百年里難倒了世界上最偉大的一些物理學(xué)家，但在過去的150年間，科學(xué)界在對光的本質(zhì)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(zhì)。因此，到目前的階段，我們已經(jīng)多少知道了該如何回答這些問題。

今天的物理學(xué)家們不僅理解光的本質(zhì)，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(lián)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么這個問題，但這個解釋或許是最通俗的：光是一種輻射。

這種解釋將有助于人們的理解。比如我們都知道，接受過多的日光照射容易引發(fā)皮膚癌。我們也知道暴露在輻射環(huán)境之中可能會引發(fā)某些種類癌癥的發(fā)病風(fēng)險，因此，將這兩者聯(lián)系在一起應(yīng)該并不困難。但并非所有的輻射都是相同的。事實上，直到19世紀末，科學(xué)家們才最終找出光輻射的真正本質(zhì)。

不過，比較有趣的是，這些發(fā)現(xiàn)本身并非來自對光的研究，而是來自數(shù)十年來科學(xué)家們對于電和磁性現(xiàn)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(xué)家的眼里，這兩者是緊密關(guān)聯(lián)的。奧斯特發(fā)現(xiàn)，放置在通電導(dǎo)線旁的指南針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而法拉第則發(fā)現(xiàn)，在磁場中運動的導(dǎo)線內(nèi)部會產(chǎn)生電流。

當(dāng)時的數(shù)學(xué)家們開始嘗試基于這些觀察創(chuàng)建一種理論來為這一被稱作“電磁”(electromagnetism)新現(xiàn)象給出解釋。但直到詹姆斯·麥克斯韋的出現(xiàn)，才迎來有關(guān)這一問題的完整解決。

麥克斯韋是一位科學(xué)巨匠，他對科學(xué)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(fā)，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(zhì)。

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(zhì)，并且這種波的運動速度基本上是光速。通過這一結(jié)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后不久，德國物理學(xué)家赫茲首次證明，麥克斯韋關(guān)于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(xué)工作。而在今天，同樣在該校工作的物理學(xué)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(fā)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(xué)領(lǐng)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。他拍攝照片使用的三色濾鏡系統(tǒng)至今仍然是很多彩色照相技術(shù)的基礎(chǔ)。

我們都被教育說，彩虹里有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(qū)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，這一概念本身或許并不意味著很多東西。但這一觀點將幫助我們解釋一種我們都已經(jīng)知曉的現(xiàn)象：光是由不同的顏色組成的。

這項發(fā)現(xiàn)還要追溯到牛頓的時代。而在日常生活中，雨后的彩虹就是光的多色本質(zhì)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(guān)。

位于彩虹一端的紅色光對應(yīng)的是波長在620~750nm之間的電磁波輻射;而紫色光對應(yīng)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(xué)研究所的科學(xué)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(xiàn)在了我們的語言習(xí)慣中：你會發(fā)現(xiàn)，在英語中我們將紅外光(infrared light)和紫外光(ultraviolet light)稱為“光”(light)，但對于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(yī)生會說，我要用‘X-ray’(X射線)照射目標(biāo)，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并不明顯，比如我們會很自然的說紅外線，紫外線，還有去醫(yī)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厘米甚至是數(shù)千公里。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(dāng)然，對于普通的民眾來說，他們收聽廣播電臺的無線電波竟然和光本質(zhì)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(xué)的角度來看，無線電波和可見光之間并沒有什么區(qū)別。描述它們的方程式和數(shù)學(xué)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干涉條紋。這一著名實驗證明光具有波的性質(zhì)

這樣，我們對于光就有了另外一種定義——它是電磁波中非常窄的一個波段范圍，也就是我們?nèi)搜勰軌蚋兄降碾姶挪úǘ畏秶?。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。而要想知道我們對于光的概念是多么主觀，讓我們再次回到彩虹的話題，

我們中的大多數(shù)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(chuàng)造出一些小口訣甚至歌曲來幫助我們記住這些顏色。當(dāng)你觀察清晰呈現(xiàn)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(dāng)年的牛頓卻發(fā)現(xiàn)自己難以看到全部這7種顏色。

事實上，研究人員現(xiàn)在傾向于認為，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(shù)字在西方文化中占有特殊地位，如七聲音階，以及一周內(nèi)的天數(shù)。而麥克斯韋的工作則帶領(lǐng)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(zhì)問題。

通過狹縫之后，原本平行的光線變成類似水波的形態(tài)

是粒子還是波?

但在另一個方面，科學(xué)家們數(shù)百年來也一直致力于想要弄清楚，從最基礎(chǔ)的層面上，光究竟是以何種方式存在并傳播的?

一部分科學(xué)家認為光的形式有點類似波或水里的波紋，它可能是借助空氣或是另一種難以捉摸的神秘物質(zhì)“以太”來進行傳播的。但另外一些科學(xué)家則認為這種看法是錯誤的，他們指出，光應(yīng)當(dāng)是一束粒子流。

牛頓更傾向于第二種理論，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(guān)實驗之后，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并射出一束光，它一定會原路反射回來，這跟你射出一個小球擊中鏡子之后反彈回來是完全一致的。牛頓認為如果光是波，不應(yīng)當(dāng)會具備這種粒子的特性。據(jù)此，牛頓推斷光必定是由某種非常微小的，沒有質(zhì)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(jù)，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(xué)家托馬斯·楊(Thomas Young)開展了他著名的“雙縫實驗”，這個實驗在物理學(xué)上占據(jù)極其重要的地位，并且實驗的原理非常簡單，每個人在家里都可以自己進行。

具體的過程是這樣的：你需要一張厚紙板，隨后非常小心地在它上面劃出兩道細縫。隨后準備一個“純粹”的光源，也就是只會產(chǎn)生特定波長光線的光源，激光則是最理想的。然后將光源對準紙板上的這兩道狹縫，并使其在狹縫后的另一個表面上成像。

在置于狹縫紙板背后的另一個平面上，你心里的預(yù)期應(yīng)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并投射到后方的平面上。然而，托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)，情況似乎有點詭異，他看到的并非兩道細細的光帶，而是一系列明暗相間的條紋，就像一條超市用的條形碼。

當(dāng)光線通過狹縫時，其表現(xiàn)出來的行為與水波穿過狹窄開口時表現(xiàn)出的性質(zhì)基本一致：它會發(fā)生衍射并形成半球狀傳播的波。

而在雙縫實驗中，當(dāng)“光波”穿過兩道狹縫并彼此相遇，且波峰面對對方的波谷時，它們相互抵消，形成暗帶;而當(dāng)波峰與波峰相遇時，它們相互疊加，從而形成亮帶，于是，明暗相間的“條形碼”條紋便出現(xiàn)了。

托馬斯·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(jīng)在數(shù)學(xué)上為光是一種波的理論奠定了堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，于是科學(xué)家們大舒了一口氣：終于塵埃落定了，光是一種波!

白熾燈泡利用能夠產(chǎn)生電磁輻射的材料制成。光是一種電磁輻射

棱鏡將光線分解為不同波長的色光

光是粒子

但噩夢還沒結(jié)束，量子革命開始了!

在19世紀下半頁，物理學(xué)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。盡管現(xiàn)在看來這似乎也沒有什么，但由于在當(dāng)時電燈產(chǎn)業(yè)正剛剛起步，因此任何能夠輻射光的材料都是被重點關(guān)注的對象。

到了19世紀末，科學(xué)家們已經(jīng)意識到，一個物體輻射出電磁波的多少取決于它自身的溫度，不同的溫度會產(chǎn)生不同量的輻射?？茖W(xué)家們已經(jīng)注意到這種關(guān)聯(lián)，但沒有人能夠回答為何會是這樣。

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克(Max Planck)解決了這個問題。他發(fā)現(xiàn)，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(gòu)成的。普朗克將這種“小份”稱作“量子”。數(shù)年后，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(xiàn)象給出解釋。

透過云層看到的陽光

光讓我們能夠感受身邊的世界

此前物理學(xué)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(xiàn)象稱作“光電效應(yīng)”，但對于究竟為何會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，物理學(xué)家們都感到困惑不已。

愛因斯坦指出，這一現(xiàn)象背后的本質(zhì)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(jié)構(gòu)的束縛。

然而，如果更加仔細地審視這些電子的行為，就會發(fā)現(xiàn)一些詭異的現(xiàn)象?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只需要改變照射光的顏色，我們就能輕松改變光攜帶的能量大小。尤其是，科學(xué)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，那么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”——想象一下海嘯沖向陸地時的畫面——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(yīng)當(dāng)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(yīng)該會產(chǎn)生什么改變才對。

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(tài)發(fā)生改變都會立即引起另一個粒子的相應(yīng)變化，這種影響不受時間與距離限制

透過云層的光：它究竟是波還是粒子?

在這一令人困惑的現(xiàn)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(guān)：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并不會對金屬板的電子釋放產(chǎn)生什么影響——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”，但并不會改變每一個“能量單位”內(nèi)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(shù)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(xiàn)在，光子已經(jīng)被物理學(xué)界作為一種基本粒子予以承認?？梢姽馐怯晒庾訕?gòu)成的，其余所有的電磁波，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(xué)家們決定結(jié)束這場關(guān)于光是波還是粒子的曠日持久的爭執(zhí)——這兩種模型都擁有確鑿的實驗證據(jù)，因此無法否定其中的任何一種。讓很多非物理學(xué)專業(yè)的人士感到困惑不已的是，物理學(xué)家們最終確認，實際上光輝同時表現(xiàn)出粒子與波的特性。換句話說，光具有波粒二象性。

但對于物理學(xué)家們而言，他們倒并不覺得光的這種雙重身份帶來了什么不便。相反，這讓光變得更加有用。今天，在當(dāng)年的先驅(qū)者們——如麥克斯韋和愛因斯坦等建立的基礎(chǔ)之上，科學(xué)家們正在進一步探尋利用光的這些特殊性質(zhì)的途徑。

物理學(xué)家們逐漸意識到，盡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(yīng)用。因此物理學(xué)家們會根據(jù)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，但會用公里來描述車的行程一樣。

一些物理學(xué)家正在嘗試利用光來實現(xiàn)加密通訊，比如用于安全的資金轉(zhuǎn)賬等等。對于他們來說，在開發(fā)這些功能時是把光看作了粒子。

這是由于量子物理學(xué)的另外一項奇異性質(zhì)：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(zhì)：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(zhì)，因此人們便可以利用這種性質(zhì)來實現(xiàn)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(zhì)是，當(dāng)對其進行觀察時，將會改變糾纏粒子的量子態(tài)。因此，從理論上說，如果有任何人試圖窺探使用了量子光學(xué)技術(shù)加密的信息時都將會立刻暴露。

而另外一些物理學(xué)家則更加關(guān)注光在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。對于他們來說，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(zhì)開發(fā)光學(xué)計算機，將大大提升未來計算機的性能

2004年，科學(xué)家首次捕捉到了光波在空間中運動的圖像。

一種被稱為“光場合成器”(light field synthesisers)的現(xiàn)代設(shè)備可以非常精確的方式實現(xiàn)光波之間的同步性。這樣它就可以產(chǎn)生相比普通燈泡發(fā)出的光線強度更高，持續(xù)時間更短并且具備方向性的光波脈沖。

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

使用這種極短的光脈沖作為相機閃光源，研究組成功拍攝到可見光的單個波形圖像，后者的震蕩周期要比這種脈沖持續(xù)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(jīng)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(jīng)利用波長更長的電磁波實現(xiàn)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(yīng)向世人證明了可見光會對一塊金屬板內(nèi)的電子產(chǎn)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(xiàn)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于金屬板。他說：“我們能夠控制光波，通過它，我們還將能夠控制物質(zhì)。”

這一前景一旦成為現(xiàn)實，電子行業(yè)將迎來一場新的革命，從而導(dǎo)致新一代光學(xué)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：“要制造那樣的計算機將需要控制電子，使其按照我們預(yù)想的方式運動，并利用光波控制電流在固體中的流動，而不是傳統(tǒng)的電路方式。”

于是，我們對光又有了一種新的描述方式：光是一種工具。

這樣的想法其實并不新鮮。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，我們借助可見光了解我們身邊的世界。

而現(xiàn)代技術(shù)只不過是讓這個想法更向前進了一步。在2014年，諾貝爾化學(xué)獎授予了發(fā)明一種強大顯微鏡技術(shù)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(xué)上是不可能實現(xiàn)的?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)的進步，光學(xué)還將帶領(lǐng)我們目睹更多前所未見的奇景。