第十七课
问世间“光”为何物
——光的行为与三次波粒战争（上）
主讲人
《云里 · 悟理》系列微课简介
在这里遇见新物理，在这里洞见新未来。我是中科院物理所副研究员王霆，在这一课给大家讲解自然界中非常有意思的一个元素——光。
光的自然本性
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光的自然本性是什么？其中最重要的一个性质就是最直观观察到的颜色，不同的颜色本质上对应的是不同的光谱。人类对光最初的认知是对彩虹一样的七种颜色来进行最直观最简单的判断。在这个基础认知上，慢慢拓展到光有很多多不同的频率或者说是不同的波长。不同的波长或不同的频率，有什么区别呢？它代表了不同的能量、不同的信息载体或者不同的功用，我们后面会详细说到。它的功用有哪些呢？给大家列举几个，比如说红外光、无线电波这些是长波，短波包括紫外光、X光以及伽马射线等。这些不同频率、不同波段的光给我们人类，尤其在20世纪、21世纪带来了非常多的便利和功用。
不同波长的光
光除了颜色以外，还有一个常识性的性质——光具备绝对速度。这个绝对速度的实际数值经过精准测量接近于3亿米/秒。3亿米/秒可能听起来是非常快的一个速度，它到底有多大呢？用地球做参照物，一秒能够绕地球7.5次。当我们提及三亿米/秒这个速度的时候，其实是指光在真空中传播的速度。光在不同介质中的传播速度是不同的。后面会详细说到这里面的数学关系以及它的物理机制。这里我们先跟大家简单地说明一下，在目前已知范围内，光速是绝对速度，也是物质运动的最大速度。但光速到底是否绝对，在物理界中还有很多的争议。
光一秒能够绕地球7.5次
光与物质的相互作用
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除了以上两个基本的物理特征以外，还需要知道光和物质是怎么相互作用的。最直观的三个作用，第一个是吸收。光的吸收在生活当中很常见，举个例子，为什么衣服是黑色的？黑色其实是物质完全吸收了光，所以你看到它是黑色的。
除了吸收以外，还有什么常见的作用？比如透射和反射，镜子的基本原理是光的反射，而玻璃是一种透射材料。这些都是光与物质之间相互作用。
光的反射
除此之外，还有一个非常特殊的作用——散射。散射在生活当中无处不在，比如天空颜色的变化。
天空颜色的变化
光的物理特征和现象
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光与物质的三个基本作用方式会使我们看到不同的现象。
首先来说光的反射，光的反射与大家息息相关，比如镜子、湖面倒影等。光的反射定律是指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，其中有一个重要的物理特质是出射角等于入射角。由于光在均匀介质中沿直线传播，它以什么角度入射，就以什么角度反射回来，这也是为什么反射光能够成像的原因。
前面提到光的散射，这也是个非常有意思的特质。在自然界当中，最直观的一个表现是天空的不同颜色。散射与反射不同，反射是光照在一个平面光滑的物体上，引起的光方向的转变，但是散射却不同，散射是当光照在不均匀的物质上或者一些微粒上，所产生了一些光，这些光无论是相位还是能量都有大范围的转变。瑞利散射需要满足特殊条件：光照射的粒子尺寸需要是光波长的1/10左右，也就是它尺寸非常小。这便能解释，晴朗的白天天空是蓝色的，黄昏时可以是黄色的，以及彩霞有不同的颜色。其实云朵、彩霞等的空气里不同的粒子会随着时间或者天气条件发生缓慢地变化，在这些变化当中就产生了不同的散射条件。这些粒子对不同波长和频率的光产生了散射条件，呈现出不同颜色的光进入到我们的眼睛。
除了散射和反射，光的折射也是生活中很常见的现象，在中学的物理课程中我们也学过。光的折射现象是当光从一种透明介质入射到另一种透明介质时，从空气、水、玻璃到任何不同的透明介质材料，一般情况下，光会有不同的折射率，根据折射定律，它的传播方向会改变。一个常见的现象是筷子放入装有水的玻璃杯里，筷子会发生弯折。其实筷子并没有发生弯折，而是我们眼睛捕捉到光的位置由于光的折射而发生了改变，导致我们对不同的物体或者说人眼的分辨产生了视觉误差。
光的折射
除此之外，还有一个很直观的光现象，也是最重要的一个，那便是引起波粒战争的光现象或者说光的实验——光的干涉。光的干涉在生活中也很常见，小朋友喜欢吹肥皂泡，那么肥皂泡它所产生的七彩的光斑就是一个光的干涉现象。
肥皂泡
如图所示，两个或多个相干点光源，分别有着不同的波形，这些光的波动会产生干涉。后面我们会解释为什么干涉实验会呈现出条纹性的图案或者说是波动性的图案。
除了这四个重要的光的现象之外，还有最后一部分，牛顿提出的光的色散。现在人们都知道彩虹是这么来的：一束白光透过一个三棱镜或者水滴等任何的透明介质，基于折射原理，不同波长不同颜色的波拥有不同的折射角，不同的折射角实现了色散现象。色散现象其实是把复色光比如白光，分解成了不同的单色光。牛顿之所以认为光有粒子性，这也是其中一个重要的依据。
光的色散
光的物理性质对我们
生活产生了什么影响？
04
不同的光具有不同的物理性质，那这些不同的性质在我们的现实生活当中或者在未来科技的发展当中有什么样的作用？
首先来讲光的光谱性，这是光最重要的特性之一。光谱具有波长性和频率性，波长和频率有什么联系呢？我们知道一个最简单的公式，波长等于光速除以频率，由于光速一定，波长和频率成反比，也就是说波长越短频率越大，反之亦然。通过这个公式，我们对光谱和波长有了一个基本的概念。人眼能观察到的光波长在380纳米到780纳米左右，不同的人的状态其实是也有一些差别。后来的一些发明，如摄影机和照相机都是基于这个波段范围的光研究所产生的。
光的光谱性
除了有色光，来谈谈短波长的光有哪些。其中最著名的是紫外光，紫外光的波长较短，在10纳米到400纳米之间。大家都听说过紫外线，它对人体皮肤有伤害。如图所示，由于人眼看不见紫外光，只能看到图中花的颜色是白色，但是在昆虫可以看到紫外光，所以它会观察到与人类所看到的不同的颜色，由此看到不同的图案。紫外光有一个重要的应用，对电子芯片进行光刻，现在所有的电子芯片和微电子芯片都是通过深紫外光光刻来完成的。随着7纳米技术和5纳米技术的进展，我们可以刻蚀更小的芯片。除此之外，通过紫外光照射还可以消毒杀菌。
人类（上）和昆虫（下）看到的花朵
比紫外光波长更短的光是什么？还有我们并不陌生的X射线。去医院拍X光、做CT都会使用到X射线。X射线的波长范围在0.01纳米到10纳米之间，所以它具备的能量比紫外光要更高。它在医疗、安检成像都发挥着重要的作用，由于它的波长非常短，还可以通过它来观察不同晶体、不同材料之间晶格的变化。
X射线图像
比X射线波长还要短的光是什么？γ射线。γ射线在医疗上有一个众所周知的作用，便是用于癌症病人的治疗。因为γ射线的波长非常的短，它只有0.01纳米左右，原子尺度恰巧都在这个尺度上，所以它无论是对原子还是对细胞都会产生非常强的工程效果和相互作用，因此它可以用来杀死癌细胞和其它细胞。对于不同的病患，不同的情况下我们使用γ刀、γ射线来进行一些医治作用。如何获得高能量、短波长的γ射线呢？通过粒子对撞之后或者原子衰变之后可以产生γ射线，由于它是非常高能的射线，所以它的穿透性也极强。
γ射线用于医疗
说完短波，再来讲讲长波。长波当中，众所周知的是红外光。红外光分为近红外光、中红外光和远红外光。最常用到的是近红外光，比如电视的遥控器。在生活常被用于信息的传播，它还有一个更大的作用，一个颠覆性的技术——光纤通信。光纤通信用到的是1.3微米到1.5微米波长范围的光，这些波长可以在光纤当中能实现非常低损耗的传播。中红外和远红外也有很多作用，比如说军事上的一些成像探测，如热红外仪可以在黑夜当中对不同的物体进行成像。
电视遥控器
比红外波更长的光又是什么？微波。微波现在慢慢已经被纳为无线电波的一种。它是无线电波当中波长最长的光。微波很早就被应用起来了，微波最常规的应用是雷达、Wi-Fi还有手机信号的无线电通信。微波的波长通常是在1毫米到1米范围。毫米波虽然目前还没有特别用上，但是它有一个热门的研究方向，那便是用来实现5G通信，而通常使用的4G、3G、2G以及Wi-Fi的波其实都是厘米波。
介绍完不同的波长，大家可能慢慢发现一些规律，波长越短、频率越高、能量也越高，它附带了什么呢？它的信息载量也会越大。所以科学家希望用很短的波长在不伤害人、不伤害物质的情况下以及不产生大量地损耗的情况下，来载入更大的信息量，所以5G通信的传输其实就是一个从厘米波进入到毫米波的过程。为什么不直接用波长更短的X光或者γ射线呢？它们的缺陷在于，波长越短，产生的损耗越大，而且不容易远距离传播，波长越长可以传播得越远。
我们讲到微波的时候，大家可能听说过5G基站需要很多，因为波长变短了之后，损耗就会变大。4G基站几公里或者10公里都能够覆盖，但是5G会变得非常的困难，信号可能会变得很弱，它有很多的技术难题需要去被解决。以上是微波很常规的特性，它也是我们信息时代最重要的工具之一。
微波通信基站
刚刚说到微波已经被并入无线电波，但它是其中最短的波。在无线通信当中，无线电波还有一些更长的波。长波是什么？不难猜到电视、广播等，这些是最早的应用本质上是使用AM和FM的不同的波。无线电波的范围可以从1毫米到100千米。在100千米的波长是非常长的，很适合做长距离的传播。远途城市与城市之间或者说更远的一种信号的传播。
波的分类
以上就是我们所说不同的光谱、不同的光波或者说不同的频率波长能给我们人类目前带来的一些应用，也是光最重要的一个本质特性。那么说完这一切之后，再来纵观光的历史和我们已知的知识，来看看光是怎么被发现的，人类是如何了解到光的这些特性的。
光的波粒二象性
和三次波粒战争
05
不得不提到，与光相关最重要的一个事件就是波粒战争。波粒战争之所以叫波和粒，是因为当时科学家在争论光到底是一种波还是一种粒子，它具有波动性还是具有粒子性，这是一个困扰了物理学家很多年的难题。当时在物理界引发了一场巨大的争论。
从光的历史进程说起，光的概念最初并不是由科学家提出的而是由一些哲学家，比如著名的亚里士多德、欧几里得、柏拉图以及苏格拉底。这四位哲学家都对光有一定的研究，当时的研究是非常粗浅的，他们只是通过现象观察和哲学思考，对光有了一个基本的认知。欧几里得提出了有关光的反射和某些视觉现象，但他并不知道其原理，直到公元1000年左右，世界上承认的第一个科学家海什木才对光进行了一些初步的科学观察，做了一些反射以及折射等等的实验。但这对于光的发展并没有本质性的帮助，最大的帮助是从什么时候开始呢？1600年开始，一系列的物理学家如牛顿、惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦和爱因斯坦等，他们对光的现象和光的物理机理进行了研究，一直持续到19世纪末。正因为这些科学家对光的实验和结果的争论导致了波粒战争的开始。
物理学家们的波粒战争
接下来我们说一说光的起源，光的概念最初是由亚里士多德提出的。亚里士多德认为光的精华是白光，颜色是由明和暗组成的，这是基于他的一些哲学理想对光进行了分析。这是人类历史上第一次对光下定义，这个时间大致是在公元前400年到300年。
亚里士多德
随着亚里士多德想法的提出，苏格拉底、柏拉图等哲学家都对光进行了不同的阐述，虽然现在可能看起来觉得一个小朋友对光的认知都比他们有道理，但毕竟那个时候科学技术各方面都不发达，他们只能针对自己对世界的认识做出一些评论。当中也有一定定义性的，比如欧几里得提出了光的反射和扩散的概念，以及视觉的概念。他提出了一个现在看起来很荒谬的理论，他认为人的眼睛是会发光的，所以所有的东西都是从人眼里发光出来照到不同的物体上，我们才会看到不同的物体。
公元1000年的时候，海什木之所以是世界上第一个科学家，是因为他第一次使用了科学的工具而不是猜想或者假想的方式进行实验。他使用了透镜、镜子等工具，做了光的反射和折射的实验，对不同的出射角、入射角进行了测量、计算和分析，利用了数学工具。他通过这些实验发现光不是从眼睛里发出来的，而是从外界照到不同的物体上反射回我们的眼睛里，因此我们才知道不同的物体有不同的颜色和不同的形貌。
海什木
在宗教盛行的年代，海什木作为一个科学家被反对的非常严重，他甚至被关起来坐牢。在出狱的时候，他从阴暗的牢房里走出来，突然被阳光照到，他觉得阳光怎么这么刺眼，他随即想到了一个问题，既然这么刺眼，那么光就一定不是从眼睛里发出的，而是从外界来的。因此他对欧几里得的定义提出了的质疑，并且他开始思考地平线上的月亮为什么会比我们空中看到的月亮看起来要大得多。我们后来知道，这是视觉误差的效果以及散射等的光学作用。
第一次波粒战争
-牛顿占领制高点
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讲完光的起源之后就得说一说波粒战争的开端。从16世纪开始，1655年意大利科学家格里马第做了一个光的衍射实验，这是实打实的第一次开始对光进行非常物理性的研究。他认为通过衍射的实验观察到当光经过一个小孔之后，光波从原来的平行光变成了具有扩散和散射作用的波。这个时候格里马第认为：光是有波动性的，所以光一定是一种波。
紧接着在1663年，科学家胡克重复了格里马第的工作，同时他在这个工作当中认定了光一定是某种脉冲，是一种脉冲的波动性。随着时间的推进，在1672年，牛顿的出现给他上了非常沉重的一课。
牛顿
牛顿做了三棱镜实验，他把一束白光照进一个三棱镜之后分出了不同颜色的光，牛顿进行假设，提出了色彩的概念，他认为白光一定是由不同的彩色的粒子构成的或者是彩色的粉末，这些粉末经过三棱镜之后被分开后成为了不同颜色的光，所以只有一个可能性，那就是光必须是一种粒子，是一种微粒的集团，这才能出现色散现象。
三棱镜实验
当时牛顿发表的结果和文章是由胡克审查的，胡克就非常不高兴了，认为牛顿推翻了他的结果。他认为牛顿都是谬论，这一切的实验结果和假设都是作假，他的言辞非常的激烈，所以牛顿在第一次波粒战争中开始和胡克进行不停的纷争，他们俩甚至成为了一生之敌。光的性质在他们的有生之年，直到胡克去世之前都争论不断，相互抨击。但由于牛顿是非常出名的一个科学家，他在力学上的贡献使得大家对他非常地尊敬，大家都觉得牛顿说的一定是正确的，而胡克一定是在瞎说，所以无论是科学界还是社会都倾向于相信牛顿的理论。
随着牛顿逐渐走上风，出现了一位荷兰的科学家——惠更斯。惠更斯提出了光是一种波的观点，他支持胡克的学说，提出光是在以太里传播的假说，而以太是亚里士多德当年提出的一种东西。我们现在大家都知道，宇宙当中是真空，但是那时大家并不知道，而认为宇宙当中一定存在某种物质，所以这些光必须通过这些物质才能够传播。由此他提出了以太学说，认为以太是一种流动的、可以存在的物质，它是一个介质或者说是一个载体，所以光是一种在介质当中传播的波，后来证明了以太学说的错误。
惠更斯
因为牛顿太伟大了，世人相信牛顿的学说一定是正确的，随着惠更斯逝世，牛顿学说基本上统一了当时的物理界，大家都认为光就是一种粒子，而不是波，第一次波粒战争以牛顿学说胜出而告终。
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