光的十层理解-光是什么？

这是在B站看到的一个视频，觉得讲的挺好，越看越看迷糊，越看越佩服前人卓越的智商，也惊叹于他们不断探索的精神。感谢原创！！！

提起光，我们首先能想到的是生活中“看见的光”，比如蜡烛燃烧发的光，太阳的光，星星的光，还有就是手机、电视的光……

当然，还有的人会想到一些我们看不见的光，比如医院拍的X光，光纤传输的光……

或许，还有一种常常被人们挂在嘴边的“你是我生命的一束光”，精神之光，哈哈……

进入主题。。。看能坚持到几分钟不睡觉

光的第一层理解：光就是光线

光是光线，非常符合普通人的理解，“线”表示我们对光的印象都是光沿直线传播，高中物理学的几何光学也是这么讲的，几何光学的四大基本定理：

光在均匀介质沿着直线传播；
光的反射角等于入射角；
光的折射遵从斯尼尔定律；
光程是可逆的；

根据这四大基础原理，能推导出非常多的光学现象，因此，把光当成光线，我们能非常清楚的预测到光的传播路径，也能解释大部分的光学现象。

光的第二层理解：光就是粒子

第一层的理解，仅用数学总结了光的传播规律，但未对这些光学现象作出一个解释。几何光学告诉我们光会反射和折射，但没解释为什么光会反射和折射。

牛顿大神给出了一个似乎合理的解释：1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，其中包括了著名的万有引力定律，以及三大运动定律。

牛顿第一定律（惯性定律）：任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用（合外力为零）时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第二定律（加速度定律）：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。
牛顿第三定律（作用与反作用定律）：两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。

牛顿的三大运动定律能很好的描绘粒子的运动，所以牛顿就顺理成章的把光当成是粒子来解释所有的光学现象，并在1704年发表了《光学》，解释了光为什么会反射和折射，也解释了牛顿自己发现的色散现象。

牛顿认为，光会被反射，就像小球会被反弹一样，遵从牛顿第三定律，而光会折射，是因为水面与光球之间存在引力，水面吸引了光球向法线靠近，所以才导致了折射现象的发生。

至于光的色散，则是因为不同颜色的光球有不同的质量，它们受到了不同程度的引力影响，所以导致了折射率的不同，比如红球的质量最小，他受到的引力是最小的，所以导致了红球的折射率最低。

牛顿的微粒说统治了整整100年，并未受到任何挑战。

第三层，光就是波

1803年，托马斯杨进行了双缝干涉实验，光通过双缝后在观察板上产生了明暗相间的条纹，这意味着光能互相抵消，并制造黑暗。

由于牛顿微粒说解释不了光能制造黑暗这个现象，所以光的波动说再次回到大众视野，因为光的波动说能很好的解释干涉现象。

波动说如何解释干涉现象：

光是波，所以有波峰和波谷，当波峰与波峰相遇时，它们会相互加强并形成亮带。当波峰和波谷相遇时，他们会互相抵消并形成暗带。在考虑光的波长后，能够计算出亮带和暗带所出现的位置。所以把光当成时波，能很好的解释干涉和衍射现象，也能解释光为什么能制造黑暗。

不仅如此，光的波动说也能解释光的反射与折射现象，根据惠更斯原理，波前的每一点会发出次波，而这些次波会互相干涉，叠加后形成新的波前，所以惠更斯原理能推导出反射现象和折射现象，似乎看起来光的波动说又比牛顿的微粒说更合理。

第四层光是电磁波

第三层提到了光是波，但没有说清楚光是横波还是纵波。

1809年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现象，这意味着光是一种横波。但当时的物理学家对于偏振的本质还是不清楚。

1865年，詹姆斯麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组，这个方程组总结了所有电与磁的现象，完成了电与磁的统一。

有趣的是，他的电磁理论，预言了电磁波这样一个东西，他计算这个电磁波的速度后发现了一个惊人的事实：电磁波的传播速度与当时测量的光速是几乎相等的。于是，麦克斯韦大胆推测光是一种电磁波。

如果光是电磁波，那么光的本质上就是同相振荡且互相垂直的电场与磁场，因此，光的偏振方向是电场方向。光的电磁理论很好的解释了偏振现象。

不仅如此，之前的几何光学以及惠更斯原理，仅仅是用数学来推导光学现象，而电磁理论则是注重光与物质之间的相互作用。

根据光的电磁理论，光的电场能让介质里的原子发生极化，并导致了一系列的光学现象，所以光的电磁理论能真正解释为什么光会反射和折射。把光当成电磁波，能解释经典波动理论解释不了的色散现象。

此外，根据电磁理论，震荡中的带点粒子能产生电磁波，所以解释了光的产生机制，不仅如此，电磁理论也用频率重新定义了光，也就是电磁波可以按照频率来分类。比如，日常生活中所见的光只是电磁波的冰山一角，可见光以外，还有伽玛射线，X射线，紫外线，红外线，微波等。

这意味着，我们日常所见的光与无线电波本质上就是同一个东西，所以，光的电磁理论带来了几个新的结论：

光的微粒说彻底被打败，因为偏振不可能出现在粒子身上；
光并不是超距作用，光需要时间来传播；
光会反射，折射和色散是因为光与物质里的原子发生相互作用；
电磁理论解释了光的起源，也就是光的产生机制。

光的电磁理论，更进一步完善了光的波动说，看起来关于光已经认识的差不多了。

第五层光速是不变的

根据经典力学，任何一种波都需要传播介质，声波的传递需要空气，水波的传播需要水。

同样的，由于光是一种波，物理学家认为光的传播也需要介质，于是，物理学家们就假设宇宙中到处散布着一种称之为以太的物质，而这个以太则是作为光的传播介质。根据当时人们的理解，以太是绝对静止的，如果地球以每秒30公里的速度围绕着太阳公转，就必然迎面受到每秒30公里的以太风。

为了寻找传说中的以太，两位美国物理学家阿尔伯特.迈克尔森与爱德华.莫雷进行了一场以太风的测试，虽然不能直接观测或者测量到以太风，但还是可以通过测量光速来验证以太的存在。光是依靠以太传播，按照当时的推测，不同的方向上测试的光速应该是不同的，换句话说，逆向与以太的光理应慢于正向于以太的光，然而实验结果却显示，不同方向的光速并没有任何差异。

即便如此，当时的物理学家还是坚信以太的存在，他们甚至认为以太被地球拖拽了，所以测量到的光速并没有任何差异。

虽然这个迈克尔森-莫雷实验，并不足以推翻以太假说，但是这个实验带来了一个非常荒谬的结论：那就是真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。

1905年，爱因斯坦做了一个非常大胆的决定，那就是抛弃以太，以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设，建立了狭义相对论。其中的光速不变原理就是指真空中的光速，对任何观察者来说都是相同的。

这个光速不变原理，带来了非常多的有意思的后果，比如著名的钟慢效应，尺缩效应，同时相对性，以及有质量的物体不能达到光速。不仅如此，经典物理学就是因为狭义相对论的诞生而得到修正：

通过狭义相对论，物理学家们额外总结出了光的几个特性，就是第六层的理解。

第六层：光是光子

光的电磁理论似乎能解释几乎所有东西，但还是有一点是电磁理论解释不了的。那就是光电效应，当光束照向金属板时，金属板的电子会被打飞，但是当时的物理学家们发现到这个实验存在两个问题：

（1）被轰飞的电子动能只和光的频率有关，和光强没关；

（2）如果光的频率低于某个阈值，无论光有多强，都不会发生光电效应。

这现象在当时是匪夷所思的，这是因为波动理论认为，不论红光蓝光或紫光，只要光的振幅足够大，或照射时间足够久，都能产生光电效应，就如同一个人搬不动的重物，可以让两个人来搬，人多总能把重物抬起来，然而实际情况下，再强的低频光或者是非常久的照射时间，也无法让电子离开金属板，只有高于某频率阈值的光才能让电子离开金属板。就好比搬重物时附加了两个限制条件：

1、一个人一次只能搬一个重物，不允许两个人搬；

2、只有特定年龄或以上的人才能搬起重物；

如限定13岁以上的人才能搬起重物，那么无论来多少13岁以下的小孩都抬不动重物，因为一个小孩子一次只能一个人搬，不能全部人一起搬。

因此，爱因斯坦通过以上的实验，提出了光就是一种粒子，也就是光量子，俗称“光子”。如果把光当成是粒子，就能很好的解释光电效应：

（单个）光子的频率和能量有关，频率越高，能量越大。这解释了为什么只有频率达到某个阈值，才能轰飞电子；
电子一次只能吸收一个光子，这解释了为什么再强的光，或再多的光子也轰飞不了电子，爱因斯坦的光量子假说，完美的解决了光电效应问题，他也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖，这也让光的微粒说重新占据了舞台。

通过爱因斯坦的狭义相对论和光量子假说，物理学家们额外总结出了光的几个特性：

光速不变（真空）；
光子的质量为零。因为有质量的物体不可能达到光速；
光子感受不到时间的流逝；

因为以光速运动的物体的时间是静止的，所以光子的寿命是几乎无限的，是不会衰变的，是宇宙中最稳定的存在，这就是为什么137亿年前的光子依旧在宇宙中传播着，对于光子而言，光子从发射到吸收是瞬间发生的事。

第七层光即是波又是粒子

因为爱因斯坦，光的微粒说重新回到了大众视野。但并不代表波动理论被推翻了，因为仍然需要波动理论来解释干涉现象和衍射现象。为了同时保全光的波动理论和粒子理论，物理学家们索性提出了光即是波又是粒子的概念，也就是所谓的波粒二象性。

那既是波又是粒子的光是什么样的呢？

按照当时人们的理解，光是由无数的光子组成的，而光束本身具有波动性，就好比无数的水分子形成了海浪，而海浪本身具有波动性。同样的，光子组成光束，光束具有波动性，这也是第一个版本的波粒二象性。

波粒二象性（版本1）

然而，1909年，杰弗里.泰勒爵士进行了一项与传统双缝干涉实验不同的实验，这个实验的特殊之处是在于他是让光子一个个的通过狭缝，令人惊讶的是，最终他发现这个实验仍然产生了明暗相间的干涉条纹。

这意味着，一个光子可以同时通过两条狭缝，自己与自己互相干涉。当时候的物理学家还能勉强接受这个实验结果，这是因为光的本质是电磁波，单个光子也是电磁波，由于单个光子能被双缝平分，所以一个光子可以同时通过两条狭缝，这一套说法就是第二个版本的波粒二象性。

波粒二象性（版本2）

可惜的是，随后的电子双缝实验，推翻了这个版本的波粒二象性，这是因为，电子并不是电磁波，但电子一个个通过狭缝后，依旧出现了明暗相间的干涉条纹，所以这时诞生了第三个版本的波粒二象性，也就是光有时会展现波的性质，有时会展现粒子的性质，取决于实验的种类。

波粒二象性（版本3）

虽然这个版本是比较常见的解释，但是这个版本的说法存在一个问题，为什么光子可以有意识的选择什么时候展现波的属性还是粒子属性？虽然这个问题是可以被解释的，但是这将会复杂化我们对光的理解，这是物理学家不愿意见到的情况。

如何正确理解波粒二象性呢？

光子本身确实是一种波，但不是所谓的光子波，而是概率波。在双缝干涉实验里，一个概率波的两个波前同时的从两个狭缝，以同心圆的图案传播出去，也就是一个概率波分为两个概率波，两个概率波发生叠加后，会决定光子在探测屏上有可能所出现的位置，而这个概率分布恰好就是探测屏出现的明暗相间的干涉条纹，光打在探测屏后，波函数会坍缩，并有了一个确定值，而这个确定值就是所谓的粒子，因此，把光当成是波函数，波函数坍缩后变成粒子这一套说法就是第四个版本的波粒二象性，也是目前比较主流的一种说法。

第四个版本的波粒二象性

第八层光能制造物质

根据粒子标准模型，基本粒子之间能相互转换。

例如在β衰变中，中子能转变为质子，而这个过程会伴随一个电子和反电子中微子。这是因为自然界强制要求，所有的物理过程，必须满足质量或能量守恒定律，反应前后的能量必须是相同的，但是质子的重量是电子的1830倍，一个质子也不会变成1830个电子，因为自然界所有的物理过程还必须满足一条守恒定律，也就是电荷守恒定律。一个质子变成1830个电子的电荷是不守恒的，所以这个过程是不会被自然界允许所发生的。

除了这两个守恒定律外，自然界还会要求所有的物理过程必须满足某些守恒定律，就是为了限制某些荒谬的物理过程发生。

1927年，英国物理学家保罗.狄拉克在他的狄拉克方程间接发现了反物质的存在。

而这个反物质有一个比较有意思的物理现象，那就是当物质和反物质相遇时，两者会湮灭并产生高能光子。反过来说，两个光子相撞后也能产生正电子和反电子，而这个物理过程是被允许的。这其中有两个原因：

第一：这个物理过程满足守恒定律，所以这个物理过程是被允许的；

第二：由于基本粒子一般上都满足时间反演对称性，所以湮灭这个过程是可逆的，湮灭反应反过来就是成对产生；

而光能制造物质这个现象，已经在1933年的实验中证实了，英国物理学家帕特里克.布莱克特，也因此获得了1948年的诺贝尔物理学奖。

光能制造物质这个现象，让物理学家重新思考了物质的定义和边界，最常见的问题就是：

光可以算是一种物质吗？

第九层：光是虚粒子

第五层提到任何一种波都需要介质来传播，但是光不需要任何介质来传播，所以当时候的以太假说就被抛弃了。

不过，量子场论似乎为我们找到了类似光的传播介质，也就是电磁场或者我们可以称为光子场。量子场论是这样描述宇宙的：我们的宇宙到处充斥着不同种类的量子场，比如电子场，夸克场，希格斯场和光子场等等。量子场的激发就是我们所谓的粒子，比如电子场的激发就是电子，光子场的激发就是光子，以此类推，宇宙中所有的物理现象，都是这些量子场或量子场之间的相互作用。有趣的是，就算是真空，这些量子场依旧存在，所以真空并不空，不仅如此，在没有任何激发态的情况下，这些量子场也不会保持能量为0的场值，而是有一定的涨落，量子场就像一件有皱痕的桌布，不能做到完全平直。

根据量子场论，真空中会凭空出现大量的虚粒子对，一正一反，然后又在极短的时间内湮灭消失。

这现象是违反能量守恒定律的，但这又是被能量时间不确定性原理允许的，而这现象已经被实验证实了，比如在卡西米尔效应中，真空中两片中性的金属板会出现吸力，这是因为虚光子以驻波的形式存在两个金属板之间，所以两个金属板之间产生了吸引力，而这个实验证实了虚光子的存在。

不仅如此，我们能用虚光子来解释，为什么两个电子之间存在排斥力？

根据经典力学理论，两个人互相丢球时会交换动量，他们会因为反冲作用，而慢慢的远离彼此，同样的，根据量子场论，两个电子之间会不断地交换虚光子以及交换动量，从而导致了电子之间的互相排斥，所以虚光子就是传递电磁力的力载子，光子场的激发就是光子。从某种意义上来说，光子场就是光子的传播媒介，而光子场的涨落就是虚光子，虚光子存在的目的就是为了传递电磁力。

第十层光是规范玻色子

对称性：假设有一个系统，有非常多的正方形，如果施加全局变换，也就是让他们同时旋转90°后，得到了相同的系统，那么这个系统就满足全局对称性。

可如果施加局部变换，让他们各自以不同的角度旋转后，得到不同的系统，那么这个系统就不满足局部对称性。

假设有另一个系统，有非常多的圆形，全局变换和局部变换都满足对称性。

从这里可以看出，一个系统满足全局对称性不一定满足局部对称性，而满足局部对成性就一定满足全局对称性。局部对称性是比全局对称性更强大的对称性，局部变换是比全局变换更苛刻的变换。

几乎所有的物理学家，都相信着一种非常强大的对称性，也就是规范对称性，而这个规范对称性属于局部对称性。

规范变换就是在时空上每个点进行不同的变换，如果某个量子场在规范变换下保持不变，那么这个量子场拥有规范对称性。

举个例子，光的本质是电磁场，而电磁场是被电磁四维势描述的，电磁四维势是由电场和磁场组成的，准确来说是电势和磁矢势，但这个电磁四维势并不是可观测量，也就是所无法通过实验直接测量出这个电磁四维势。虽然电磁场本身是不可观测量，但是电磁场本身还是存在一些可以被实验测量的物理量，比如电荷、能量、电场、磁场等。

就算我们对电磁四维势进行了规范变换，也就是时空上的每一个点改变了电磁四维势，我们在实验中所测量到的电场和磁场是不会改变的，所以电磁场满足规范对称性。

以上是经典电动力学的规范对称性，这里的规范变换只是为了选取一个合适的规范或者基准，来简化计算过程，并没有什么特殊之处。而规范场论里的规范对称性，才是现代物理学的核心，他是能帮我们解开宇宙奥秘的一个非常重要的存在。

根据诺特定理：每一种对称性都有对应的一个守恒定律，比如：

空间平移对称性，对应动量守恒定律；

时间平移对称性，对应能量守恒定律；

同样的，在规范场论里，每一种规范对称性必定会引起一种力或者相互作用。

而规范场的加入，能保全基本粒子的规范对称性，举个例子，电子的波函数是由狄拉克方程描述的，而相位就是波函数其中一个非常重要的参数。电子的波函数在全局相位变换下时不变的，所以这个对称性给了我们电荷守恒定律。但是电子波函数在进行局部相位变换后，对称性被打破了，所以为了保全电子场的U（1）规范对称性，我们必须引入一个新的力场，也就是光子场。