新浪博客
Credit: Annelisa Leinbach
关键要点
光是我们知道存在的所有东西中最神秘的。
光不是物质。相反它既是波又是粒子——它是宇宙中最快的东西。
我们才刚刚开始理解光的秘密。
这是一系列探索量子物理学诞生的文章中的第三篇。
光是一个悖论。它被与智慧和知识和神相关联。启蒙运动提出了究因之光为走向真理的指导道路。我们进化到来以大的准确性识别视觉模式------来区分树叶而不是老虎或一个敌人士兵而不是阴影。许多文化把太阳识别为一个像神一样的实体，光和温暖的提供者。毕竟，没有阳光，我们不会在这里。
而光的本质是一个秘密。当然，我们已经学到了大量的关于光和它的属性。量子物理学沿这条路径一直是至关重要的，改变着我们描述光的方式。但光是诡异的。我们不能像接触空气或水那样接触它。它不是一件东西的东西，或者至少它不是由我们与事物相关联的东西构成的。
如果我们旅行回到17世纪，我们可能追随艾萨克·牛顿的与克里斯蒂安·惠更斯在光的本质上的分歧。牛顿会声称光是由微小的、不可分割的原子组成的，而惠更斯反驳光是一种在渗透所有空间的介质以太上传播的波。他们都对了，而他们都错了。如果光是由粒子组成，这些粒子是什么呢？如果它是一个跨空间传播的波，这种诡异的以太是什么呢
光魔法
我们现在知道我们能以一种方式认为光------作为一种粒子和作为一种波。但在19世纪中光的粒子理论大多被遗忘，因为波理论是如此成功的，有些东西不可能是两件事。在19世纪初，托马斯·杨也帮助了破译这个罗塞塔石碑，做了显示光怎样随它通过一个小狭缝衍射的美丽的实验，就像已知水波来做的那样。光会移动穿过这个狭缝而波会彼此干扰，创造明亮和黑暗的条纹。原子不能那样做。
但然后以太是什么呢？19世纪所有伟大的物理学家包括发展了美丽的电磁学理论的詹姆斯·克莱克·麦克斯韦都相信以太就在那里，即便它避开我们。毕竟，没有什么像样的波可以在空的空间中传播。但这个以太是相当奇特的。它完美的透明的，如此我们可以看到遥远的星星。它没有质量，如此它不会创造摩擦并干扰行星的轨道。然而，它是非常硬的来允许光波的超快传播。相当神奇的，对吧？麦克斯韦已经证明了如果一个电荷上下振荡它会产生一个电磁波。这是电场和磁场一起绑着，随它们旅行穿过太空一个步步为营着另一个。更令人惊讶的是，这种电磁波会以每秒186282英里的光速传播。你眨你的眼睛光绕地球转七圈半。
麦克斯韦得出光是一种电磁波的结论。两个连续的波峰之间的距离是一个波长。红光有一个比紫色的光更长的波长。但在空的空间中任何颜色的速度总是一样的。为什么它大约是每秒18.6万英里？没有人知道。光速是自然的常数之一，我们测量那个描述事物怎样行为的数字。
像一个波一样稳定，像一个子弹一样坚硬
一场危机始于1887年，当时艾尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了一项实验来证明以太的存在。他们不能证明一件事。他们的实验不能证明光在一个以太中传播。这是混沌的。理论物理学家想出了诡异的想法，他们说这个实验失败是因为仪器在运动方向中缩小了。没有任何事情比接受光实际上能在空的空间中传播更好。
然后来了爱因斯坦。1905年，这位26岁的专利官写了两篇论文，彻底的改变了我们描绘光和所有现实的方式。（不太破旧的）。让我们从第二篇关于狭义相对论的论文开始。
爱因斯坦表明了如果人认为光速是自然界中最快的速度并假设这个速度总是相同的，即便光源正在移动，然后两个观察者相对彼此以恒定的速度移动并做出一个当比较他们的结果时需要更正他们的距离和时间测量的观测。因此，如果一个站在行驶的火车上的人，而另一个站在一个车站上的人，他们做出的同一现象的测量的时间间隔将是不一样的。爱因斯坦为他们提供了一种允许他们彼此一致来比较他们的结果的方法。修正表明了光可以而且应该在空的空间中传播。它不需要一个以太。
爱因斯坦的另一篇论文解释了所谓的光电效应，这被在19世纪在实验室中测量，但仍然完全是一个秘密。如果光线被照在一个金属板上会发生什么呢？这取决于光线。不是光多亮，而是它的颜色------或者更恰当地声明是它的波长。黄光或红光毫无作用。但在板子上照耀蓝色或紫色的光，板实际上获得一个电荷。（因此该术语光电）。光怎样电化一片金属呢？麦克斯韦的光的波理论如此擅长很多东西，不能解释这个。
年轻的爱因斯坦大胆而有远见的提出一个离谱的想法。当然，光能够是一个波。但它也能由粒子组成。依靠情况或实验的类型，一种或另一种描述盛行的。对光电效应，我们可以描画光的小“子弹”击中金属板上的电子并像台球从桌子上飞开一样踢出它们。已经失去了电子，金属现在带有了多余的正电荷。就这么简单。爱因斯坦甚至提供了一个飞行电子能量的公式并将它等同于入射光子弹或光子的能量。光子的能量是E = hc/L，其中c是光速，L是它的波长，h是普朗克常数。这个公式告诉我们更小的波长意味着更多的能量------光子踢的能量更大。
爱因斯坦因这个想法获得了诺贝尔奖。他本质上提出了我们现在叫光的波粒二象性，表明光能既是粒子又是波，并且将依靠情况不同的表现。光子------我们的光子弹------是光的量子，可能最小的光包。因此，爱因斯坦将量子物理学引入了光的理论，表明这两种行为都是可能的。
我想像牛顿和惠更斯都正在天堂微笑。这些是玻尔在他的我们上周讨论过的原子模型中使用的光子。光既是粒子又是波，它是宇宙中最快的东西，它以我们不能彻底理解的方式携带现实的秘密。但理解它的二元性对我们困惑的思维是重要的一步。
https://bigthink.com/13-8/quantum-nature-of-light/