光究竟是什么？

关于光本质的百年探索 （新浪网 8.10 晨风 文）

光是一种辐射

  又很多种方式可以解释光是什么这个问题，但这个解释或许是最通俗的：光是一种辐射。

  这种解释讲有助于人们的理解。比如我们都知道，接受过多的日光的照射容易引发皮肤癌，但并非所有的辐射都是相同的。事实上。知道19世纪末，科学家们才最终找到光辐射的真正本质。

  不过有趣的是，这些发现本身并非来自对光的研究，而是来自数十年来科学家们对于电和磁性现象的研究。电和磁看上去似乎是非常不同的两种事物，但在奥斯特和法拉第这样的科学家的眼里，这两者是紧密关联的。奥斯特发现，放置在通电导线旁的指南针会发生偏转；而法拉第则发现，在磁场中运动的导线内部会产生电流。

  当时的数学家们开始尝试基于这些观察创建一种理论来为这一被称作“电磁”

的新现象给出解释。詹姆斯·麦克斯韦的工作首次从理论上证明了，电和磁场的运动都具有波的性质，并且这种波的运动速度基本上是光速。通过这一结论，麦克斯韦进一步推断光本身可能也正是电磁波所携带的——这就意味着光是一种电磁辐射。

光的颜色

  光是一种电磁辐射，这一概念本身或许并不意味很多东西，但这一观点将帮助我们解释一种我们都已经知晓的现象：光是由不同颜色组成的。在日常生活中，雨后的彩虹就是光的多色本质的天然展示——而光的这些颜色与麦克斯韦的电磁波理论直接相关。

  位于彩虹一端的红色光对应的是波长在620—750nm之间的电磁波辐射；而紫色光对应的则是波长在380—450nm之间的电磁波辐射。但在这些具体可见的颜色之外，还存在着比这多得多的电磁辐射。波长比我们看到的红光更长的光被称作红外光，而波长比我们看到的紫色光更短的光 则被称为紫外光。

  德国的马克斯·普朗克量子光学研究所的科学家埃利弗舍瑞奥斯·古尔利马基斯表示，很多动物能够看到紫外光，甚至有一部分人也可以。而在某些特定的情况下，人眼甚至能够察觉红外光。这可能也体现在了我们的语言习惯中：你会发现，在英语中我们将红外光和紫外光称为“光”，但对于那些波长比红外光更长，或是比紫外光更短的电磁波，我们就不再将它们以“光”来命名了。比如波长比紫外光更短的是X射线和伽马射线。古尔利马基斯举例说：“一位医生会说，我要用X射线照射目标，他不会说我要用X射线光。”但相比之下，在中文语境中这种倾向似乎并不明显，比如我们会自然的说红外线，紫外线，还有去医院拍X光。

  古尔利马基斯表示：“从物理学的角度来看，无线电波和可见光之间并没有什么区别。描述它们的方程式和数学方式是完全一样的。”事实上，正是因为我们的日常语言中给予了它们不同的名字，才造成两者是有差别的这种错觉。

     是粒子还是波？

  但在另一个方面，科学家们数百年来也一直致力于想要弄清楚，从最基础的层面上，光究竟是以何种方式存在并传播的？

  一部分科学家认为光的形式有点类似波或水里的波纹，它可能是借助空气或是另一种难以捉摸的神秘物质“以太”来进行传播的。但另外一些科学家则认为这种看法是错误的，它们指出，光应当是一束粒子流。

  1801年英国物理学家托马斯·杨开展了他著名的“双缝实验”。在双缝实验中，当“光波”穿过两道狭缝并彼此相遇，且波峰面对对方波谷时，它们相互抵消形成暗带；而当波峰与波峰相遇时它们相互叠加从而形成亮带。于是明暗相间的“条形码”条纹就出现了。托马斯·杨的理论无可争疑地证明了光波理论的正确性，再加上麦克斯韦的工作已经在数学上为光是一种波的理论奠定了坚实的数学基础，于是科学家们大舒了：终于尘埃落定了，光是一种波。

光是粒子

  在19世纪下半页，物理学家们想要弄清楚一个问题，为何在吸收和辐射电磁波方面，某些材料的性能要比其他材料更好。尽管现在看来似乎没有什么，但由于当时电灯产业正刚刚起步，因此任何能够辐射光的材料都是被重点关注的对象。

  1900年，德国物理学家马克斯·普朗克解决了这个问题。他发现，通过计算可以解决这个问题，但前提是必须将电磁辐射视作是单独的“小份”构成的。普朗克将这种“小份”称作“量子”。爱因斯坦意识到使用普朗克提出的光的“量子化”思想，能够很好地解决这一问题。爱因斯坦提出，光是由许许多多微小的“能量单位”组成的。他将这些“能量单位”称作“光子”。现在，光子已经被物理学界作为一种基本粒子予以承认。可见光是由光子构成的，其余所有的电磁波，包括X射线，微波和无线电波都是一样。换句话说，光是粒子。

光的波粒二象性以及它价值

  到了这个阶段

，物理学家们决定结束这场关于光是波还是粒子的旷日持久的争执——这两种模型都拥有确凿的实验证据，因此无法否定其中任何一种。让很多非物理学专业的人士感到困惑不已的是，物理学家最终确认，实际上光会同时表现出粒子与波的特性。换句话说，光具有波粒二象性。

  大约一个世纪以前光电效应向世人证明了可见光会对金属板内的电子产生影响。古尔利马基斯表示，未来我们将有希望对这些电子实现精确操控，方法是利用受控的可见光波，以一种精确的方式作用于金属板。他说“我们能够控制光波，通过它，我们还将控制物质。”于是，我们对光又有了一种新的描述方式：光是一种工具。

  这样的想法其实并不新鲜。自从地球上最早的生命诞生以来，生命就一直依赖阳光而 获得能量。人类的眼睛是光子探测器，我们借助于可见光了解我们身边的世界。而现代技术只不过是让这个想法更向前进了一步，随着技术的进步，光学还将带领我们目睹更多前所未有的奇景。

                  光是波还是粒子？

光本质上就是“太极粒子波”      郑春学 文  2015-8-31

  光是波还是粒子，上个世纪末，物理学家们实际上是做了妥协，承认光具有波粒二象性。大名鼎鼎的爱因斯坦解释说，光是波还是粒子，决定于实验使用的参照系。换句话说，光子表现为波还是粒子决定于观察者的选择。这也是哥本哈根会议物理学家们达成的共识。从此，光的波粒二象性被写进科学文献和教科书里。

  上个世纪末（1997年），中国年轻的甘永超教授基于对波粒二象性的深入研究，提出微观粒子（场）的π型结构，证明电磁场具有粒子特性。甘永超先生用三个矩阵组成的方程式将波和粒子联系起来，把普朗克公式、德布罗意公式统一转换在方程式中。

“π型三重波粒二象性”理论：

一,甘永超把狄拉克1927年所做“经典电磁场按模式分解”进一步推进到“经典电磁场按光子对应分解”，在“经典电磁场”与“量子电磁场”之间建立起一种基本单元的对应关系，使每一个“电磁基波”的能量、动量甚至角动量都能与同频的光子能量、动量甚至角动量分别对应相等，为今后的发展奠定了坚实的数学和物理基础。

二，甘永超在“经典电磁场按光子对应分解”的基础上揭示了与爱因斯坦“光的波粒二象性”、德布罗意“实物粒子的波粒二象性”相并列的“第三种波粒二象性——经典（电磁）场在结构上的粒子性”。

三，甘永超理顺了“三种波粒二象性“之间的“π型结构关系”，完美而又和谐地统一了这“三种波粒二象性”，从而，揭示了微观客体的“π型三重波粒二象性”。这是比“光的波粒二象性”、“实物粒子的波粒二象性”更高层次的理论，蕴含着物质世界的更深刻本质。在这里，“光的波粒二象性”与“实物粒子的波粒二象性”仅仅是“π型三重波粒二象性”的两个分支。据此，还可以推测“物质世界的最基本结构单元——太极粒子波”的存在。

  我们回顾一下物理学大师们的思想，普朗克认为能量的发射或吸收呈现出不连续状态，而不是连续状态，当时在物理学界简直是一种革命。就像我们统计人口时只能按人口的个数（最小单位）来计算。普朗克说，能量的大小与频率ν相关。这个“一小份”的能量，我们把它看成是“能量包”，所以，能量的吸收或发射都是打包进行的。这个“能量包”也就是后来爱因斯坦命名的“光子”。这个“能量包”具有粒子特性是不言而喻的。麦克斯韦认为光也是电磁波，而电磁波是由变化着的电场和变化着的磁场所构成。由此可以推测出，光子的内部结构。

  现在，我们还原光的本来面目，光子（爱因斯坦）等同“能量包”（普朗克），光子又由变化的电场和变化的磁场组成（电场与磁场相耦合）。在中国易学系统中，就是太极中有阴阳（电场与磁场）而电场是变化的有波峰和波谷之别，所以电场的变化也有阴阳之分，磁场推理也是如此。太极生两仪，两仪生四象，完全可以涵盖光子的波粒二象性，这就是光的本质——太极粒子波。

  我们能够同时观察到粒子与波吗？也就是能够直接证明太极粒子波吗？回答是完全可以。近年，两位年轻的美国科学家设计的精巧实验可以既观察到粒子，也可以观察到波，还可以同时观察到粒子与波，我把它写进了早期的博客里。