2 光是什么

關(guān)于隱形傳態(tài)的第一次實驗是用光來做的。然而，光到底是什么呢？對此問題，人類癡迷已久。想必在文字出現(xiàn)以前，人類便已開始思索，我們是如何通過光來感知到近處和遠處物體的存在的。光自光源——比如太陽甚或是一根小小的蠟燭——發(fā)出，進入我們的眼睛，我們便辨認出了物體。對此，物理學家有兩種基本的觀點。一種觀點認為，光與物質(zhì)一樣，由一個個粒子構(gòu)成。另一種觀點則認為，光是以波的形式存在的。這兩種觀點分別被稱作光的粒子說和光的波動說。

對于光的粒子說，我們可以簡單理解為光就像子彈或彈珠那樣傳播。對于光的波動說，我們則可簡單將光類比為池塘水面上的水波。這兩種簡單說法，分別表達了粒子說和波動說的本質(zhì)特性。

對于彈珠而言，它時刻都有固定位置，在有限的空間內(nèi)移動。同樣，光粒子沿某種軌跡，從光源出發(fā)，到達我們見到的物體和我們的眼睛。并且，像發(fā)射連續(xù)不斷的彈珠或子彈一樣，光源——比如太陽——向我們發(fā)射出不計其數(shù)的微小的光粒子。這些粒子會撞擊到馬路對面的大樹，其中一部分被樹木反射并散射開，這里面又有少數(shù)最終被收入我們的眼睛。

相對于彈珠，池塘水面的水波卻非囿于一隅。如果將一顆石子投入平靜的池塘，我們最終會看到水波遍及整個池塘（見圖1）。另外，水波并不以片狀或塊狀的固定形式存在，而是可以擴散到池塘任何范圍。比如說，一只蟲子在平靜的池塘表面滑走，會引發(fā)水面泛起漣漪；幾塊巨石翻滾入池塘，則會激起騰飛的巨浪。因此，水波可小亦可大。

那么關(guān)鍵問題來了，光到底是什么？波動說和粒子說，哪一個能夠解釋光呢？光到底具備前面我們所描繪的哪些特征呢？

物理學的歷史，在很大程度上就是人類對光的本質(zhì)的探索史。很久以前，人們便開始探索光到底是粒子還是波。艾薩克·牛頓與羅伯特·胡克所分別主張的微粒說[1]與波動說，都吸引了大批擁躉，在18世紀早期，兩方爭得不可開交。當時，微粒說勝出。許多人都認為，牛頓當時在學術(shù)界的權(quán)威性使得勝負的天平產(chǎn)生了傾斜。

波動說

1802年，醫(yī)學博士托馬斯·楊進行了一項實驗，使我們認清了光的本質(zhì)。這項實驗是科學史上最偉大的實驗之一，其設計卻極為簡單。

托馬斯·楊讓光線通過兩個狹縫，然后他便在狹縫后面觀察到了明暗相間的條紋（見圖2頂圖）。今天我們將這些條紋稱為“干涉條紋”。

如果我們將其中一條狹縫遮住會怎樣呢？結(jié)果是我們看不到任何條紋，而只會看到一片亮光（見圖2中圖）。如果遮住另一條狹縫，我們同樣會看到一片位置略微移動的類似的亮光（見圖2底圖）。兩片亮光有大片的重合區(qū)域。

按照微粒說的觀點，當兩條狹縫都開放時，觀測屏上的光應該是兩條狹縫各自開放時觀測屏上光的總和。然而，實際上這一假想?yún)s是錯誤的。在重疊的區(qū)域，楊觀察到了明暗相間的條紋——干涉條紋。也就是說，當兩條狹縫都開放時，產(chǎn)生了沒有光到達的暗條紋區(qū)域。而只開放其中一條狹縫時，這片區(qū)域中又有了光。對亮條紋區(qū)域進行仔細的測量發(fā)現(xiàn)，其光強度超過了兩條狹縫各自開放時光強度的和。這該如何解釋呢？

這一波形圖很好地解釋了“干涉條紋”。我們假設圖中光波自左向右傳播，自隔板一側(cè)穿過兩條狹縫之后，在隔板另一側(cè)形成了新的兩束光波，到達觀測屏。觀測屏的中線到兩條狹縫的路徑長度相等。在這種情況下，兩束光波的振蕩在觀測屏的中線處產(chǎn)生同步，并互相加強，便形成了亮條紋。如果我們將圖中的觀測點向左或向右移動，兩條路徑則會一條變長，一條變短。此刻，從這兩條狹縫到觀測屏上任意給定點的兩條路徑長度便不再相等。

因此，隨著新觀測點位置的變化，這兩束光波的同步性也在變化，它們變得越來越不同步。在某一時刻，兩束光波會完全不同步。此時，一束光波到達波峰，另一束光波到達波谷，兩波相互抵消。我們可以想象相同情況的兩個水波，其中一個的波峰與另一個的波谷相遇，則二者相互抵消。

將觀測點繼續(xù)移動，兩個路徑的長度差便會越來越大，直到恰好達到一個波長。此刻，波峰再次相遇，兩束光波相互加強，便會出現(xiàn)亮條紋。

如果我們再次移動觀測點，這種情況就會重復。兩束光波的波峰和波谷交會抵消的無光暗區(qū)和相互加強形成的亮光區(qū)會再次出現(xiàn)，從而形成了我們所看到的干涉條紋。

托馬斯·楊的這一實驗使得物理學家們確信：光是一種波，而不是粒子。

粒子說

后來，1905年，來自瑞士伯爾尼專利局的一位名不見經(jīng)傳的職員發(fā)表了顛覆物理學本質(zhì)的一系列論文。在其中一篇論文中，當時年僅26歲的阿爾伯特·愛因斯坦提出了他的相對論。然而，這只是我們目前所關(guān)注的發(fā)表于那一年的第一篇論文。愛因斯坦在寫給其好友康拉德·哈比希特的一封信中，稱這篇論文是“革命性的”。在這篇論文中，愛因斯坦提出，光是由粒子構(gòu)成的，這一發(fā)現(xiàn)令人猝不及防。

1926年，美國化學家吉爾伯特·牛頓·路易斯將這些光粒子（亦稱光量子）命名為光子。在愛因斯坦時代，光的波動性理論已經(jīng)有了大量依據(jù)，雙縫干涉實驗只是其中之一。而當時僅作為瑞士伯爾尼專利局一名年輕職員的愛因斯坦，是如何膽敢提出相反的觀點，提出“光是由粒子構(gòu)成的”想法的呢？要確切解答這一問題，我們需要了解一下物理學家們對有序和無序的描述。

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[1]微粒說后因20世紀初光粒子的提出又稱“粒子說”。——編者注