什么是光？想象力与思维的极限

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哲学家和科学家花了数千年的时间来争论光的本质。事实证明，光远比他们想象的要复杂的多。

图片来源：新加坡国立大学 CQT 的 Timothy Yeo 关键要点

关键要点:

• 我们的感官和经验可以很好地指导我们直观地了解物体在世界上的行为方式。

• 但是，当谈到理解光时，同样的却使方式却我们误入歧途。

• 光的行为既像波又像粒子，这是我们的大脑无法真正理解的事实。

我们每个人的脑袋里都有一个小小的物理实验室。当我们在世界各地移动时——爬楼梯、从快递站拿包裹或开车转弯的时候，我们使用物理学的内在视角让我们直观地感受世界是如何表现以及是由什么构成的。这就是为什么当得知内部物理实验室在基础上犯了多么严重和深刻的错误时，应该感到震惊的原因。

从根本上说，或者从物理学的角度来看，世界并不是我们从日常经验中想象的那样。我们内部物理实验室的这种失败在光及其波粒二象性的故事中最为明显。

光的双重性质

光到底是什么“东西”——我们称之为本体论的问题可以追溯到现代物理学的开端。笛卡尔和牛顿都认为，每一束光实际上都是由高速运动的微小粒子组成的。粒子在光源（如太阳表面或蜡烛的火焰）处发射并沿着直线路径传播（除非受到它们所经过的介质的影响而弯曲），直到它们被物质吸收（就像你眼睛的视网膜）。

尽管牛顿很有天赋，但其他人并不那么相信光是由粒子构成的。大约与牛顿处于同一时代，克里斯蒂安·惠更斯 ( Christiaan Huygens ) 提出光实际上是能量波穿过背景基板或介质，就像波在水中移动或声波在空气中移动一样。例如，当波浪在海洋中传播时，它们不会携带单个水“粒子”（即分子）从一个地方到另一个地方。相反，波浪通过在它们通过时来回晃动 H 2 O 分子来在水中传播。

现在，重要的是要了解“粒子”概念与物理学家的“波”概念有何不同。它们几乎是截然相反的，有点像生与死、开与关、怀孕与未怀孕的关系。粒子是一小块东西，一次只能在一个地方（想想子弹沿着轨迹呼啸而过场景）。然而，波是一种能量分布，一旦发出就可以扩散到整个空间，同时出现在许多地方。波浪在传播时也可以围绕物体弯曲。子弹只能穿过物体或被物体挡住。

虽然牛顿关于光的粒子概念一度盛行，但到 1800 年代末，“波”派已经胜出。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 发展了一个强有力的理论，预测光只不过是通过电磁场传播的波。实验证实了麦克斯韦的预言，开启了无线电技术和许多其他应用的时代。光的本体之谜似乎解开了。

然而，自然和光有不同的想法。

光的悖论

量子力学是物理学中最伟大的革命之一，它始于光。随着物理学家建造新仪器来探测与原子相关的越来越小的距离和时间尺度，他们努力弄清楚物质与光之间的相互作用。有一种“经典”观点认为电磁波被带电物质粒子发射或吸收。但该理论无法解释物理学家在他们的实验中发现了什么。至少从数学层面上来说是行不通的。

因此，在创造性的绝望中，物理学家再次将光想象成粒子。为了解释他们在原子尺度实验中看到的东西，他们建立了新的模型，其中光以离散束的形式出现——他们称之为光子的光能小包或粒子。

但是你可能会问:所有那些表明光表现得像波浪、在空间中传播并在物体周围弯曲的实验又如何呢？物理学家不能忽视它们，正如他们不能忽视要求光表现得像粒子的新研究一样。

就这样臭名昭著的波粒二象性就这样诞生了。

物理学家并没有说光真的是粒子或波，而是采取了一种新的立场：既不是粒子又不是波。如果你进行了一个寻找类粒子特性的实验，光会告诉你这些。但是如果你进行了一个寻找波状特性的实验，光也会告诉你这些。您唯一不能做的就是同时寻找这两种属性。并且不要试图将光想象成某种合并的实体，例如“波纹”。人们已经尝试过了，但从未奏效。

波粒二象性是物理学研究方式发生翻天覆地变化的开始。实验迫使物理学家在看待现实的方式上变得更加灵活，物理学家开始从易于在头脑中描绘的模型转向更抽象但在数学上依旧严格的观点。忘记试图描绘光到底是什么样的。这可能会也可能不会。

相反，想象力超越了固有，世界被允许以新的方式与我们交谈，这些方式依旧需要数学形式的推理。量子革命一个世纪后，我们仍在努力理解这种波粒二象性到底在告诉我们什么。

不过，我们可以确定的是，这个世界远比我们脑海中那个基于日常经验的小物理实验室让我们相信的要怪异和有趣得多。