比起波粒二象性，光的本质更让科学家们头疼

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光以我们无法完全理解的方式承载着现实的秘密。

关键要点

• 光是我们所知道存在的所有事物中最神秘的。 光不是物质；它既是波又是粒子——它是宇宙中最快的东西。

• 光本身就是一个悖论。它与智慧和知识以及神圣相关。启蒙运动提出将理性之光作为通向真理的指导路径。我们进化到可以非常准确地识别视觉模式——区分树叶和老虎，或者区分敌人战士的影子。许多文化将太阳视为神一样的实体，提供光和热。毕竟，没有阳光，我们就不会在这里。

• 然而，光的本质仍然是一个谜。当然，我们已经了解了大量关于光及其特性的知识。量子物理学在这条道路上一直是必不可少的，它改变了我们描述光的方式。但是光线很奇怪。我们不能像接触空气或水那样接触它。它是不是事物的事物，或者至少它不是由我们与事物相关联的事物构成的。

如果我们回到 17世纪，我们可以跟随艾萨克·牛顿(Isaac Newton ) 与克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 在光的本质上产生分歧。牛顿会声称光是由微小的、不可分割的原子组成的，而惠更斯会反驳说光是一种波，它在遍布整个空间的介质上传播：以太。他们都对，但他们都错了。如果光是由粒子组成的，那么这些粒子是什么？如果它是一种在太空中传播的波，那么这种奇怪的以太是什么？

光魔法

我们现在知道，我们可以从两个方面来考虑光——粒子和波。但在 19世纪，光的粒子理论还不成熟，因为当时波理论非常成功，那时候的人们认为一个东西不可能是两个东西。在 1800 年代初期，帮助破译罗塞塔石碑的托马斯·杨 (Thomas Young) 进行了著名的实验，展示了光在穿过小缝隙时如何发生衍射，就像众所周知的水波一样。光线会穿过狭缝，波浪会相互干扰，形成明亮和黑暗的条纹。而原子不能那样做。

但是，什么是以太？19 世纪所有伟大的物理学家，包括发现了美丽的电磁学理论的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在内，都相信以太就在那里，即使它让我们望而却步。毕竟，没有像样的波可以在真空中传播。但是这种空间介质很奇怪，它是完全透明的，所以我们可以看到遥远的星星。它没有质量，因此不会产生摩擦并干扰行星轨道。然而它非常坚硬，以允许超快光波的传播。很神奇，对吧？麦克斯韦已经证明，如果电荷上下振荡，就会产 生电磁波。这是捆绑在一起的电场和磁场，当它们穿过太空时，一个引导另一个。更令人惊奇的是，这种电磁波会以每秒 300000公里的光速传播。

麦克斯韦得出结论，光是一种电磁波。两个连续波峰之间的距离是一个波长。红光的波长比紫光长。但任何颜色在虚空中的速度总是相同的。为什么大约是每秒300000公里？没人知道。光速是自然常数之一，我们测量的数字描述了事物的行为方式。

像波浪一样稳定，像子弹一样坚硬

一场危机始于 1887 年，当时阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫利进行了一项实验来证明以太的存在。但他们无法证明一件事，那就是他们的实验未能证明光在以太中传播。理论物理学家想出了奇怪的想法，他们认为实验失败是因为仪器在运动的方向上收缩了。任何事情都比接受光实际上可以在真空中传播要好。

然后是阿尔伯特·爱因斯坦。1905 年，这位 天才在26 岁时就已经写了两篇论文，也彻底改变了我们想象光和现实世界的方式。让我们从第二篇论文开始，即关于狭义相对论。

爱因斯坦表明，如果将光速视为自然界中最快的速度，并假设即使光源在移动，该速度也始终相同，那么两个观察者相对于彼此以恒定速度运动，并使在比较结果时，观察需要更正他们的距离和时间测量值。因此，如果一个人在行驶的火车上而另一个人站在车站，他们对同一现象进行测量的时间间隔就会不同。爱因斯坦为两人提供了一种比较他们结果的方法，使他们能够相互一致。校正表明光可以而且应该在真空中传播。

爱因斯坦的另一篇论文解释了所谓的光电效应，这种效应在 19 世纪在实验室中被测量到，但仍然是一个完全的谜。如果光照射到金属板上会发生什么？这取决于光线。不在于它有多亮，而在于它的颜色——或者更恰当地说，它的波长。黄灯或红灯不起作用。但是用蓝光或紫光照射盘子，盘子就会带上电荷。（因此称为光电。）光如何使一块金属带电？麦克斯韦光的波动理论，在很多事情上都很擅长，无法解释这一点。

年轻的爱因斯坦大胆而富有远见，提出了一个离谱的想法:即光可以是一种波浪，也可以由颗粒组成。根据情况或实验类型，一种或另一种描述占上风。对于光电效应，我们可以想象光的小“子弹”击中金属板上的电子并将它们踢出，就像台球从桌子上飞出去一样。失去电子后，金属现在拥有多余的正电荷。就这么简单。爱因斯坦甚至为飞行电子的能量提供了一个公式，并将其等同于入射光弹或光子的能量。光子的能量为 E = hc/L，其中 c 是光速，L 是光的波长，h 是普朗克常数。该公式告诉我们，更短的波长意味着更多的能量——对光子的冲击更大。

爱因斯坦因这个想法获得了诺贝尔奖。他从本质上提出了我们现在所说的光的波粒二象性，表明光既可以是粒子又可以是波，并且会根据情况以不同方式表现出来。光子——即我们的光弹是光的量子，可能是最小的光包。因此，爱因斯坦将量子物理学引入光理论，表明这两种行为都是可能的。

结论

光既是粒子又是波，是宇宙中速度最快的东西。它以我们无法完全理解的方式承载着现实的秘密。但是比起光的悖论，理解它的二元性对于我们困惑的头脑来说是重要的一步。

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