爭(zhēng)論了2000多年，光的本質(zhì)到底是什么？現(xiàn)在終于有了真正的答案！

光到底是什么，這個(gè)問題困擾我好多年，從孩童時(shí)期到成家立業(yè)，我對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從膚淺到深刻的進(jìn)化。

在小時(shí)候，我認(rèn)為光只是能驅(qū)散黑暗的東西，至于這種東西長(zhǎng)什么樣子，有什么性質(zhì)完全不懂，最后學(xué)了物理學(xué)，才明白光實(shí)在是太復(fù)雜了，學(xué)10年甚至都學(xué)不完。光簡(jiǎn)直就是宇宙基本法則的度量衡，光所蘊(yùn)含的物理學(xué)知識(shí)代表人類對(duì)宇宙最深刻的認(rèn)知。

所以本篇文章將從10個(gè)層面，循序漸進(jìn)升級(jí)你對(duì)光的認(rèn)識(shí)。最后抵達(dá)最前沿物理學(xué)對(duì)光的認(rèn)識(shí)。

第一層：普通人對(duì)光的理解

對(duì)于普通人來說，光是一種看得見，好像又摸不著，卻能感知到的事物。我們能看見光，是因?yàn)闆]有光的地方對(duì)應(yīng)的就是黑暗，能感知到光，是因?yàn)橛泄獾牡胤揭簿陀袦囟龋孟裎覀冇置恢猓驗(yàn)槲覀兩焓指兄降木褪强諝獾牧鲃?dòng)，物質(zhì)表面的粗糙程度，而并不是光本身。

但是仔細(xì)一想，這里面又存在好幾個(gè)問題，第一個(gè)問題是 你能看見的光到底是什么，你真的看見光了嗎？你看見只是各種各樣的物體，比如花草樹木，高樓大廈，而光到底是什么，你又真正看見了嗎？你看到的光也只是光的波長(zhǎng)在意識(shí)里面的映射的產(chǎn)物。至于光本身是什么樣子，我們可能永遠(yuǎn)無法得知。

所以對(duì)這個(gè)問題的回答，就延伸出對(duì)光的第二層認(rèn)識(shí)。

第二層：光是虛幻的，是人的意識(shí)對(duì)物自體世界的映射

嚴(yán)格來說，我們看不見光本身的樣子，甚至我們看不到任何物質(zhì)真實(shí)的樣子。比如說，我看見了一個(gè)桌子，那只不過是桌子表面核外電子受激輻射發(fā)射出來的光子，而人的眼睛只是識(shí)別到光子的波長(zhǎng)，這種波長(zhǎng)抵達(dá)到人的意識(shí)就在大腦中呈現(xiàn)出桌子的樣子。至于桌子本來是什么樣子，我們完全不知道，因?yàn)橐庾R(shí)只是對(duì)波長(zhǎng)的一種抽象呈現(xiàn)。所以光本來是什么樣子，以及所有的物體本來是什么樣子，我們無從得知，我們感知到物體的所謂樣子，全都是通過人的五個(gè)感官映射出的抽象感知。

物體本來的樣子，也叫自在之物，這也就是德國(guó)古典哲學(xué)家 康德所說的物自身(物自體)概念。所以光也是連接意識(shí)和物自身的重要橋梁！

第三層：光是物質(zhì)

如果我說，我們看見的所有東西都是物體反射或者發(fā)射出來的光，那我們就得假設(shè)光本身就是一種物質(zhì)，那既然光是物質(zhì)，它就肯定有一種形態(tài)，那光到底長(zhǎng)什么樣子的？

在普通人對(duì)物質(zhì)形態(tài)的認(rèn)知中，就只有固態(tài)，液態(tài)和氣體。首先可以肯定，我們看見的東西都是穩(wěn)定的，這就證明光也是十分穩(wěn)定的，而液體和氣體是流動(dòng)的，所以光不可能是氣體和液體，那光是固態(tài)的嗎？

如果我們假設(shè)光是固態(tài)的，那它就必須十分小，不然肉眼就能直接看見光是什么形狀的。而十分小的固態(tài)，我們一般會(huì)將其假設(shè)成微粒，所以我們就認(rèn)為光是一種極其小的微粒，這也就是牛頓的光微粒學(xué)說。其實(shí)還有兩個(gè)現(xiàn)象，能佐證光是固態(tài)微粒。第一個(gè)就是光的反射定律，第二個(gè)是光沿直線傳播。如果光不是固態(tài)微粒，就不會(huì)發(fā)生鏡面反射，也不會(huì)沿直線傳播。

可一旦假設(shè)光是固態(tài)微粒，就又存在三個(gè)無法解釋的現(xiàn)象，分別是光的衍射，干涉和偏振。

所以對(duì)光線的第四層認(rèn)識(shí)就是：光是波

牛頓并不認(rèn)可光是波，反對(duì)的主要一個(gè)理由是，光如果是波的話，就會(huì)繞開障礙物，而光卻是直線傳播的，不會(huì)繞過障礙物。對(duì)于光的衍射現(xiàn)象，牛頓認(rèn)為，光微粒是在以太中傳播的，光在以太中的移動(dòng)會(huì)造成一個(gè)局域波，所以光的衍射是以太造成的。

雖然牛頓能暫時(shí)用以太波動(dòng)解釋光的衍射效應(yīng)，但卻很難解釋光的干涉和偏振性。所以，胡克，惠更斯，托馬斯?楊等物理學(xué)家就反對(duì)光微粒學(xué)說，堅(jiān)持認(rèn)為光是一種波，并認(rèn)為光波類似于聲波，所以光就是一種機(jī)械波。

既然光是一種機(jī)械波，那么光就必須在介質(zhì)中才能傳播，聲波是典型的機(jī)械波，聲波之所以能傳遞，必須在物質(zhì)中進(jìn)行，因?yàn)槁暡ǖ谋举|(zhì)就是構(gòu)成物質(zhì)的微粒振動(dòng)的傳遞過程。

那光波的傳播介質(zhì)是什么呢？

首先，光能從非常遙遠(yuǎn)的星球抵達(dá)地球，這就證明，光在宇宙真空中也能傳遞，所以光波的介質(zhì)在宇宙中是普遍存在的。科學(xué)家就設(shè)想，這種物質(zhì)可能就是亞里士多德在2000多年前提出的以太。所以就設(shè)定光波必須在以太中傳播。

但是問題很快就出現(xiàn)了，既然光波是在以太中傳遞的，那以太又是什么？物理學(xué)家曾經(jīng)假設(shè)以太是一種整體靜止的參考系。

如果以太移動(dòng)的話，那么光速也就會(huì)在以太中改變。這就好像一個(gè)人在行駛中的列車中運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)人的相對(duì)于地面速度就是他運(yùn)動(dòng)的速度，加上車的速度。

所以如果認(rèn)定光波需要以太，那么光速就是不恒定的。

所以在第四層認(rèn)知中，光就是一種波，這種波需要借助以太才能傳播，并且光速會(huì)隨著以太的改變而改變。

第五層：光是電磁波，不需要以太

如果光需要以太，新的問題就又出現(xiàn)了，19世紀(jì)60年代，麥克斯韋提出來了麥克斯韋方程組，并且認(rèn)為光就是一種電磁波，貌似不需要絕對(duì)靜止的以太參考系，因?yàn)辂溈怂鬼f方程組里面有兩個(gè)參數(shù)都是無方向的標(biāo)量，所以，光速在任何參考系中都是不變的。

但是麥克斯韋本人也沒有徹底否定以太，所以接下來就是驗(yàn)證以太是否存在。

我們假設(shè)以太無處不在，且絕對(duì)靜止，并且光波在以太中傳播。

再假設(shè)太陽(yáng)靜止在以太參考系中，由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，那地球相對(duì)于以太就有一個(gè)速度v，在地球上測(cè)量光速的話，在不同方向上測(cè)量的光速數(shù)值是不同的，測(cè)量到的光速應(yīng)該是光速相對(duì)于以太的速度加減地球相對(duì)于以太的速度。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，最后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，光速在任何方向上都是相同的。反而證明了光速不變?cè)恚M(jìn)而否定了以太。

所以此時(shí)的人們認(rèn)為光不同于聲波，它不是機(jī)械波，而是一種電磁波，并且不需要傳播介質(zhì)，它的速度是固定的，不會(huì)因?yàn)橛^察者的改變而改變。這時(shí)候光的波動(dòng)說升級(jí)成了電磁波，光是波的觀念，徹底壓制了光是微粒的觀念。但很快問題又出現(xiàn)了，光的波動(dòng)性，又無法解釋一個(gè)新的現(xiàn)象，那就是，光電效應(yīng)。

第六層：光是光量子，且具有波粒二象性

1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)，用紫外線照射到金屬電極上，會(huì)產(chǎn)生電火花。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家認(rèn)為，這是因?yàn)楣獾哪芰勘唤饘俦砻娴奈镔|(zhì)吸收后，產(chǎn)生的火花現(xiàn)象。

如果按照這種思路的話，那么只要加大光照的強(qiáng)度，產(chǎn)生火花的強(qiáng)度也就會(huì)線性增大。但事實(shí)并非如此。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光照射金屬表面是否產(chǎn)生電火花只和光的頻率有關(guān)，和光照強(qiáng)度沒有任何關(guān)系。且只有光的頻率達(dá)到一定的閾值，才能產(chǎn)生電火花。而光的頻率沒有達(dá)到這個(gè)閾值，即便增加光的照射強(qiáng)度，也就是光子的密度，也無法產(chǎn)生電火花。這個(gè)問題也困擾了物理學(xué)家很長(zhǎng)時(shí)間。如果要解釋這個(gè)問題，就必須假設(shè)光就是一種粒子。

因?yàn)槿绻庵皇遣ǖ脑挘热灰呀?jīng)增加波的強(qiáng)度，那沒有理由不產(chǎn)生電火花？而如果光是一種粒子的話，就可以認(rèn)為單個(gè)粒子的能量只和頻率有關(guān)系，頻率越大，這個(gè)粒子的能量就越大。撞擊到金屬表面上的電子，它吸收光子的能量后，達(dá)到逃逸的門檻，金屬表面的電子就會(huì)被撞出來。

所以在1905年，愛因斯坦就假設(shè)，光是一種具有離散性的波包，這里面的離散性指的是光子的能量是不可以再分的，是一種基本的能量單位。這個(gè)波包就是光量子，也就是光子，所以這就證明光起碼具有粒子性。

但同時(shí)考慮到光的干涉現(xiàn)象，光也具有波動(dòng)性。

所以這個(gè)時(shí)候的物理學(xué)家就認(rèn)為光既是粒子，也是一種波，這就是光的波粒二象性。

第七層，光速是不變的，光速是相對(duì)論建立的基礎(chǔ)

在20世紀(jì)初，物理學(xué)家不僅認(rèn)為光具有波粒二象性，而且公認(rèn)光速是不變的。

對(duì)于觀測(cè)者來說，光是在時(shí)間和空間上進(jìn)行的，光速等于光經(jīng)過的空間長(zhǎng)度除以時(shí)間。既然光速是永恒不變的，一旦光經(jīng)過了空間長(zhǎng)度改變，那只能導(dǎo)致時(shí)間也發(fā)生相應(yīng)改變，才能維持光速不變的事實(shí)。所以光速不變，對(duì)應(yīng)的就是時(shí)空改變。這樣一來，絕對(duì)時(shí)空觀就變成了相對(duì)時(shí)空觀。所以才有了狹義相對(duì)論中，速度越快，時(shí)間越慢的時(shí)間膨脹效應(yīng)。

第八層，光是基本粒子，且是電磁力的傳播子

在第七層的理解中，科學(xué)家在20世紀(jì)初雖然已經(jīng)知道了光速不變和時(shí)間膨脹效應(yīng)。但是對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)知還停留在初級(jí)階段。直到量子力學(xué)發(fā)展出了粒子物理學(xué)。我們才將光子納入到基本粒子中，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們已經(jīng)找到了構(gòu)成世界的61種基本粒子，而基本粒子又分為費(fèi)米子和玻色子。

費(fèi)米子是構(gòu)成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本粒子，比如，夸克和電子。而玻色子是負(fù)責(zé)傳遞物質(zhì)之間相互作用的基本粒子，比如膠子，光子和WZ玻色子。光子是負(fù)責(zé)傳遞電磁力的傳播子。光子在兩個(gè)粒子之間，以光速交換才維持了電磁力的正常運(yùn)作。

第9層，光是量子場(chǎng)

在第8層的理解中，光子負(fù)責(zé)傳遞電磁力。但是光子本身是什么樣子的？我們依舊沒有深刻的認(rèn)知。量子力學(xué)經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從最初的舊量子論到量子電動(dòng)力學(xué)，量子色動(dòng)力學(xué)，再到量子場(chǎng)論。如今，最為先進(jìn)的“量子理論”就是量子場(chǎng)論，基于量子場(chǎng)論，物理學(xué)家建立起了標(biāo)準(zhǔn)模型。在量子場(chǎng)論的預(yù)設(shè)中，每一種基本粒子都是一種場(chǎng)。

比如電子就是電子場(chǎng)，光子就是光子場(chǎng)，夸克就是夸克場(chǎng)。量子場(chǎng)是一種很抽象的概念，這種場(chǎng)在理論上可以延伸到宇宙各個(gè)角落。所以光的本質(zhì)就是光子場(chǎng)，光子場(chǎng)可以延伸到宇宙的各個(gè)角落。所以光的本質(zhì)就是一種可以延伸到宇宙每一個(gè)角落的物質(zhì)狀態(tài)。光子場(chǎng)本身是一種模糊，沒有邊界的存在。由于光子場(chǎng)的這種特性，導(dǎo)致光子可以同時(shí)處于多個(gè)位置。

所以光的本質(zhì)就是一種具有不確定性原理和量子疊加特性的量子場(chǎng)。

第10層：光沒有時(shí)間

在前面，我們已經(jīng)說了，光只有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，沒有靜止質(zhì)量，或者說它的靜止質(zhì)量為零。因?yàn)楣庵荒芤怨馑龠\(yùn)動(dòng)，不可能靜止下來。

而我們?cè)谟?jì)算時(shí)，可以假設(shè)認(rèn)為光的靜止質(zhì)量為零，那么在狹義相對(duì)論中，靜止質(zhì)量為零的物質(zhì)，那么它就沒有時(shí)間。所以對(duì)于光本身來說，它沒有經(jīng)歷任何時(shí)間，即便是宇宙大爆炸之初產(chǎn)生的光，經(jīng)過了138億年的飛行抵達(dá)了地球，那么對(duì)它來說，誕生即毀滅。

在這138億年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于觀測(cè)者來說是漫長(zhǎng)的，而對(duì)于光子本身來說，這個(gè)時(shí)間為零。如果光子具有意識(shí)，那么還沒有等它的意識(shí)有足夠的時(shí)間去思考宇宙的意義，宇宙就從誕生變成了毀滅。所以在光子的角度看來，宇宙本身就是一種誕生與毀滅的混合體。