時空之旅 爆肝一萬字！以十層理解，帶你深度看清光的本質！

光到底是什麼? 是白日裏的暖陽 是黑夜中的絢爛煙火 是電子躍遷的印記 還是宇宙微波背景的餘暉 又或者是 神說要有光 於是就有了光 自古以來 如果誰能有幸窺探到光的一丁點祕密 那他必定能名垂青史 本期視頻 我將用20分鐘的時間 分10層理解 來爲大家逐步介紹 人類對光不斷刷新的認知 其中每一層 都是曾經最聰明的天才們 傾盡一生所追求的知識 而你現在不到一頓飯的功夫 便能達到前人難以企及的認知高度 當然 你或許會有一些不同的看法 也歡迎打在彈幕上或者評論區留言 我會和大家做進一步探討 第一層 光速有限 蠟燭點亮的一瞬間 便能照亮屋子裏的各個角落 所以早期的學者 包括亞里士多德 幾何光學鼻祖歐吉里德 以及狄卡爾都認爲 光速是無限的 它可以瞬間到達任意地方 直到伽利略的出現 伽利略作爲近代科學的開山鼻祖 他反對一切僅憑直覺 純粹依賴哲學推導出的結論 認爲所有自然現象 都應被理性分析並通過實驗檢驗 伽利略認爲 既然自然界的所有物體 比如聲音都有一個速度上限 那光速很可能也不是無限的 但他設計的實驗還是過於簡單 他讓兩個人分別站在遠處的山上 通過點燃燈光 並觀察對方的反應時間 來測量光速 可想而知 伽利略還是嚴重低估了光速 直到1676年 丹麥天文學家羅莫 通過目位一時現象 成爲史上第一個證明了光速有限的人 方法很簡單 從地球上看 目位一有時候會繞到木星背後 然後過段時間又繞出來 這個現象就是目位一時 按理說 目位一的公轉週期是個固定值 但羅莫發現 當地球遠離木星時 目位一時的時間會變長 而當地球靠近木星時 目位一時的時間又會變短 於是他據此推斷出 這是因爲光從目位一傳到地球 需要一定的時間 光速的確是有限的 從那以後 人們開始對光速的測定樂此不疲 從惠更斯的天文計算 到阿曼德斐索的天才齒輪構想 再到復刻的旋轉鏡 光速測量越來越精確 與此同時 人們也開始思考 光本質上到底是什麼 什麼樣的存在 才能以如此快的速度 穿梭於浩瀚的宇宙空間之中 第二層 光是光威力 古希臘哲學家的觀點不必多說 基本都是開局一張嘴 比如柏拉圖認爲 光是從眼睛發出的光線 而亞里士多德則認爲 光是物體發出的發光物質 正如伽利略所說 我們對世界的認知不能想當然 要有嚴謹的實驗觀測 1704年 牛頓在進行了大量瘋狂的光學實驗後 發表了著作《光學》 並在書中系統性地提出了他的光威力說 他認爲 光是由一顆顆質量極輕的威力組成 並對光的多個性質給出了合理解釋 一 光源直線傳播 這是因爲 光威力具有質量和動量 在沒有外力作用下 它們不會改變運動方向 二 光的反射 是因爲當光威力碰到鏡面時 會發生彈性碰撞 三 光的折射 是因爲光威力會受到介質的吸引 密度越大的介質 對光威力的吸引力就越強 當光威力從稀薄介質 進入較密介質時 這種吸引力 會使光威力在進入新介質的一瞬間 獲得一個沿法線方向的加速度 所以牛頓預言 介質密度越大 光速越快 當然這個結論後來被證明是錯的 四 光的顏色分解 牛頓通過三棱鏡發現了光的色散 並且不同顏色光的折射角不同 這是因爲 不同顏色光威力的質量不同 紅光威力的質量較大 慣性也就較大 因此偏折角較小 紫光威力質量最小 慣性也最小 因此偏折角最大 儘管光威力說還不夠嚴謹 但鑑於牛頓當時在力學和數學上的巨大成就 幾乎沒人敢站出來質疑他 除了胡克和惠更斯 第三層 光是機械波 1665年 英國著名科學家羅伯特·胡克提出 光是一種類似於水波或聲波的機械波 一方面是深受17世紀機械論宇宙觀的影響 另一方面它就是要和牛頓對着幹 不過他的理論缺乏實驗驗證和數學推理 並不成體系 1690年 荷蘭天才惠更斯發表了著作《光論》 系統性地提出了光的波動理論 其核心觀點主要有 一 光是一種類似於水波的機械波 可以向四面八方傳播 二 惠更斯原理 即每一點波前 都可以看作是新的球面波的發射點 這些波的包羅線構成新的波前 三 光的顏色取決於光波的頻率 惠更斯原理從數學上精確地解釋了 光的反射和折射 以及爲什麼兩束光交叉時 不會因爲碰撞而改變方向 但由於它無法解釋光的直線傳播 以及缺乏強力的實驗支撐 仍不足以撼動牛頓的光威力說 直到1801年 英國神童托馬斯·楊 設計了一個驚動整個物理學界的實驗 楊式雙縫干涉實驗 托馬斯·楊將單色光 通過兩條分離的細縫 抵達後方的屏幕時 竟出現了一排排明暗相間的條紋 這分明是兩條波的干涉圖樣 雙縫干涉實驗強有力地證明了 光就是一種波 緊接着1818年 菲尼爾採用光的波動假設 從數學上完美解釋了光的衍射現象 並給出了一個非常荒謬的預言 如果是圓盤衍射 那在圓盤的正中間將會出現一個量班 也就是波松量班 有了雙縫干涉實驗 和波松量班這兩大鐵證 人們不得不相信 光的確就是一種波 第四層 光是電磁波 雖然此後 人們對光的科學範式逐漸轉移爲波 但當時普遍認爲 光是某種介質振動產生的機械波 機械波都有橫波縱波之分 那光是橫波還是縱波呢? 1809年 法國物理學家馬里斯 首次發現了光的偏振現象 這意味着光波的振動方向 和傳播方向互相垂直 說明光是一種橫波 但這個偏振 到底是什麼東西在振動呢? 不久後 麥克斯韋電磁學橫空出世 並預言了電磁波的存在 1865年 麥克斯韋在一篇 《名叫電磁場的動態理論》的論文中 推導出了電磁波的傳播速度 結果發現 這個速度和實際的光速值非常接近 於是麥克斯韋大膽推測 光本質上就是電磁波 緊接着1887年 赫茲通過電磁實驗 隨後在人們進一步研究電磁波譜時發現 我們能看到的所有可見光 其實只是電磁波譜中的極小一部分 可見光和無線電波 紅外線 紫外線 輪琴射線 以及伽馬射線等等 統統都是同一種東西 唯一的區別就是頻率不同而已 於是物理學家意識到 光的偏振 其實就是電場的振動 有了這套電磁理論 人們從物理上 更加全面地解釋了光的反射折射 以及色散等現象 也終於知道了光的產生機制 不過是源自於帶電粒子的振盪 電磁理論的大獲成功 使得光波動說的人氣達到頂峯 再加上經典力學以及經典熱力學 物理學的大廈似乎已經徹底建成 然而 當人們紛紛以爲故事即將結束之時 一切纔剛剛開始 第五層 光速不變 麥克斯韋雖然解除了光速 但這裏有個大問題 這個速度竟然不依賴於某個具體的參考系 當時物理學家普遍認爲 波都需要介質才能傳播 再加上牛頓絕對時空觀的影響 人們很自然地 就假想了一種絕對靜止的介質 以太 光波通過以太傳播 而光速就是相對於以太的速度 那我們要如何證明它呢? 考慮到地球在以太中運動 那地球和以太就有一個相對速度 地球上就應該存在一個以太峯 而光速又是相對於以太的速度 那順着以太峯和垂直以太峯的光速 就應該存在差值 1887年 邁克爾遜和莫雷設計了一個精密實驗 目的是通過測量這個光速差值 來反推出地球相對於以太的速度 結果發現 無論是哪個方向測出來的光速都一樣 這讓以太說陷入巨大危機 然而物理學家們並不死心 1904年 洛倫茲給邁克爾遜·莫雷實驗 找到了一個堪稱完美的解釋 如果沿着以太峯方向的干涉儀長度 因爲以太峯收縮變短 那就會導致實驗測出來的光速值沒有變化 並給出了精確的數學公式 即著名的洛倫茲變換 但洛倫茲 終究還是被困在了以太說的框架之中 1905年 愛因斯坦出手了 年輕的他 既不受牛頓絕對時空觀的權威影響 也未被以太說的思想禁錮 他以伽利略的相對性原理 作爲唯一哲學指引 堅信所有的物理學 在任何慣性系都應保持一致 既然光是電磁波 如果電磁定律在所有慣性系保持一致 那光速在所有慣性系中自然就是一樣的 那邁克爾遜莫雷實驗自然也就無需解釋 更不需要什麼絕對靜止的以太 愛因斯坦回到矛盾源頭重新出發 將相對性原理和光速不變 作爲兩大理論基石 一手創立了著名的狹義相對論 從此我們知道 時間和空間不再是絕對不變 運動物體的時間會變慢 運動物體的長度會收縮 並且任何有質量的物體 都無法達到真正的光速 第六層 光是光量子 雖然邁克思維的電磁理論大獲成功 但有一個實驗它卻始終無法解釋 那就是光電效應 如果你把一束光照射到金屬板上 有時候會從它的表面打出電子 這沒什麼 但該實驗存在兩個很奇怪的點 一 如果光的頻率低於某個閾值 不管多亮 無論照多久都照不出一個電子 而只要光的頻率足夠高 哪怕光線很弱 照射時間很短 電子也能立即飛出 二 飛出電子的動能和光的強度無關 只和頻率有關 這對於經典電磁學來說 是極其詭異的 因爲根據波動理論 只要波的正幅足夠大 照射時間足夠久 電子就能攢到足夠的能量 然後飛出 1905年 愛因斯坦在提出狹義相對論的同時 還大膽提出了光量子假說 他認爲光本質上就是一個個的光子 光量子假說完美解釋了光電效應 第一 根據光子能量計算公式 頻率越高 單光子的能量就越高 就越能打出更高能量的電子 第二 光的強度只和光子數量成正比 這就好比拿小球砸可樂瓶 如果小球質量太小 即便你拿再多的小球也砸不動 但如果單個小球的質量很大 一下就能把可樂瓶砸倒 不過 光量子假說 只是從理論上解釋了光電效應 要證明光的粒子性 還需要更直接的證據 1923年 康普頓在研究X射線散射時發現 散射射線的波長 比入射時的波長更長 也就是說能量降低了 波動理論無法解釋該現象 但康普頓發現 只要把光想象成小球 根據光子能量公式 以及動量守恆定律 計算出來的波長變化 就和實驗結果分毫不差 這強有力地證明了光的粒子性 至此 人們對於光的認識 有了以下幾點突破 第一 光是離散的光子 光子具有能量和動量 第二 光子的淨質量爲0 因爲有質量的物體 永遠也無法達到光速 第三 光子永遠不會死 因爲當物體達到光速時 在我們看來 其時間流逝速度爲0 它出生即永恆 但問題是 如果光是離散的粒子 那雙縫干涉實驗和波松量班 又該如何解釋 光到底是粒子還是波? 第七層 光既是粒子也是波 雙縫干涉實驗和電磁學 強有力地證明了光就是波 而光電效應和康普頓散射實驗 又強有力地證明了光就是粒子 於是物理學家索性宣佈 光既是粒子也是波 這就好比 水既可以是水分子 這就是波粒二象性的第一層理解 但很快這種理解就被推翻 1909年 傑弗裏·泰勒爵士 做了一個升級版的雙縫干涉實驗 他將光源換成極弱光 以確保每次實驗中 光源發射的光子之間 有足夠的間隔 來一個個通過雙縫 結果發現 屏幕上仍然產生了明暗相間的條紋 這意味着 單個光子也具有波動性 所以無法將光子和水分子類比 對此 物理學家只能解釋爲 因爲單個光子也是電磁波 所以 它能同時穿過兩條縫 自己和自己發生干涉 這就是波粒二象性的第二層理解 1924年 德布羅伊正式提出 萬物皆爲波 並給出了這個波的波長計算公式 同時還預言 電子能在晶體中發生衍射現象 1927年 戴維斯和格默 真的做成了單電子的衍射實驗 這意味着波粒二象性的這個波 並不是電磁波 那波粒二象性到底是啥 對此 波爾提出了互補性原理 波動性和粒子性 並非是互斥關係 而是互補 具體是波還是粒子 取決於你實際怎麼測 這就是波粒二象性的第三層理解 然而 互補原理並沒有真正回答 波粒二象性的波到底是什麼波 它只是迴避了這個問題 事實上 這個波並非是傳統的機械波 而是概率波 1926年 薛定諤爲德布羅伊的物質波理論 找到了完整的波動方程 即薛定諤方程 但薛定諤本人並不理解 波函數中的這個虛數 到底意味着什麼 後來波恩一語道破天機 波函數絕對值的平方 等於粒子出現的概率 真正經過雙縫 併發生干涉的 並非光子本身 而是光子的概率 概率波在屏幕上形成的干涉結果 就是單光子落點的概率 光子的波函數 在演化至屏幕前 是彌散的概率波 在演化至屏幕時 就瞬間坍縮爲確定的粒子 這就是波粒二象性的第四層理解 也是最主流的哥本哈根解釋 第八層 光能憑空創造物質 1928年 26歲的狄拉克 結合薛定諤方程 和狹義相對論 得到了狄拉克方程 並預言了反電子的存在 1932年 卡爾安德森 首次在實驗中通過威爾遜雲室 發現了反電子的蹤跡 根據狄拉克的理論 正反電子相遇時 會轉化成兩個高能光子 這就是正反物質湮滅 1934年 佈雷特和惠勒 提出了湮滅的反過程 即兩個高能光子 在真空中相撞 可以產生正反電子對 同時他們還給出了驗證方法 即通過加速重原子核到接近光速 然後對撞 2021年 中國科學技術大學 山東大學 聯合美國布魯克海文國家實驗室 通過該方法 首次證實了佈雷特惠勒效應 他們通過相對論性重離子對撞機 將兩束金原子核 加速到99.995%的光速 此時帶正電的金原子核周圍 會形成超強電磁場 而電磁場的本質就是光子 所以 當兩個原子核擦肩而過時 就相當於兩大坨高能光子 發生了碰撞 在本次實驗中 一共找到了6085個 正反電子對的產生事件 這是人類首次直接觀測到 光子對撞 產生正反電子對的過程 事實上 不僅僅是電子 只要光子的能量足夠高 你還能生成正反質子對 和正反中子對 只要有光 就能產生世間萬物 第九層 光是光子場的激發 經典電磁學認爲 光是電磁波 是連續分佈於空間的存在 而量子力學認爲 光是光子 是一份份離散分佈的能量包 有了矛盾 物理理論才能再次升級 於是量子場論閃亮登場 量子場論認爲 看似空無一物的宇宙空間中 其實充斥着各種量子場 電子場 夸克場 光子場 希格斯場等等 每一種基本粒子 本質上就是對應量子場的激發 所謂激發 就是場的局部能量波動 其中 電子是電子場的激發 光子是光子場的激發 這就好比水面上的波浪 水面就是量子場 而波浪則是量子場能量波動時產生的粒子 在這幅圖景中 場是比粒子更爲基本的物理實體 根據量子場論 即使這些場非常平靜 沒有激發出任何粒子 它們仍具有最低能量 也叫零點能 1997年 人們通過卡西米爾效應的實驗 證實了這一點 具體來說 真空中的電磁場 可以看作是一系列量子化的減斜陣子 即一系列不同波長的波疊加 當兩塊平行的金屬寶板靠得非常近時 由於導體表面的電磁場強度必須爲0 於是 只有特定波長的波能夠存在於寶板之間 形成主波 這就導致板間的總零點能小於板外 於是板外零點能多處的壓力 會將板壓向一起 產生卡西米爾效應 卡西米爾效應的成功驗證 極大增強了人們對量子場論的信心 量子場論不僅可以描述所有的基本粒子 還能描述所有的相互作用 在量子場論中 而相互作用則是通過交換虛粒子實現 比如電磁相互作用就是交換虛光子 這就好比在光滑的溜冰場上互相扔球 但這個類比並不準確 因爲它只能解釋斥力 而無法解釋吸引力 事實上 虛光子並非真實的光子 它們是隻出現在費曼圖中的一種數學工具 它並不滿足真實光子的能量動量關係 也就無法用經典的機械傳遞行爲來準確類比 雖然量子場論能描述所有的基本粒子 以及通過虛粒子相互作用 但它作爲一個通用的理論框架 並沒有提供虛粒子如何產生的更深層解釋 這就引出了規範場論 規範場論的核心在於規範對稱性 先說對稱性 從經典力學到相對論 再到量子場論 對稱性一直都是物理學家構建理論的核心原則 而之所以相信對稱性 是因爲每一種對稱性 都和某種守恆定律之間存在着深刻的關聯 這就是諾特定理 比如空間平移對稱性 可以直接推導出動量守恆 時間平移對稱性可以推導出能量守恆 旋轉對稱性可以推導出角動量守恆等等 而規範對稱性則是一種更高層次的對稱性 所謂規範 簡單說就是某種人爲定義的 用來描述物理系統的方式 比如描述一條線段 當你選擇A參考系時它的數學形式是這樣 但當你選擇B參考系時 它的數學形式是那樣 但無論如何 線段的實際路徑都不變 而參考系的選擇就是一種人爲定義的規範 對應到物理學中 我們可以自由選擇不同的形式來定義一個電磁場 只要能準確描述真實的電場和磁場 數學上怎麼變換規範都可以 具體來說 在量子電動力學中 粒子的波函數在進行全局的相位變換後保持不變 對應電荷守恆 但全局變換與空間位置無關 而在真實的物理場景中 電場和磁場是可以隨空間變化而變化 於是物理學家必須將這個對稱性 從全局推廣到局部 然而 在對波函數進行局部相位變換後 多出來了一個額外項 導致對稱性被打破 爲了確保變換前後形式不變 則必須引入一個規範場 來作爲補償 也就是光子場 這就是規範場論 規範場論從更根本的層面上 解答了以下三個問題 一 光爲什麼存在 因爲在數學上 優一規範對稱性 要求了光子場的存在 而光子場對應的規範波色子 就是光子 二 光子爲什麼無盡質量 因爲如果光子場有盡質量 這個質量項的拉格朗日亮 會破壞優一規範對稱性 所以光子必須無質量 三 電磁相互作用的本質是什麼 因爲優一規範對稱性 不僅要求了光子場的存在 還要求了這個光子場的斜變導數 而光子場的斜變導數 就包含了帶電粒子與光子的相互作用下 換句話說 量子場論告訴了你 電磁相互作用的本質 是交換虛光子 而規範場論 則從數學上告訴了你虛光子的起源 以上就是光的十層理解 當然在網上 也還有一些更深刻的理解 比如 光是閒的振動 但這已經超出了 現有實驗技術能驗證的範疇 事實上 無論是麥克思維電磁學 相對論 還是量子場論 都經過了大量實驗的驗證 尤其是量子電動力學 篇幅有限 在往後的理解 這裏就不再展開 後面會單獨開個系列細說 從牛頓的光威力說 到惠更斯的光波動說 再到麥克思維的電磁理論 從顛覆直覺的光速不變 到神祕的光量子 再到高深莫測的規範場論 人們一次又一次刷新着 對於光的理解 雖然到目前爲止 物理學家仍然不知道 光到底是什麼 但我知道 光是活着 就已拼盡全力 最後 新的一年 祝願這世上少一點人間疾苦 多一點天下太平