光究竟是什么？

聪明的读者到这里可能会注意到我在本章的描述中有些许矛盾，有时把光说成“波”（如上面的麦克斯韦光谱），有时把光说成“粒子”（当我们谈到特定频率光击中原子，产生黑暗的光谱森林）。那光究竟是波还是粒子呢？答案有些复杂和意外：两者兼而有之，或者两者都不是。在我们开始不可见的宇宙之旅前，必须先与光的本质作斗争，其背后的答案蕴含着了解现实本质的钥匙。

关于光到底是什么，这一争论已经持续了很久。牛顿认为，光是由小粒子组成的，将其称为“小体”，因为波通常不会以直线传播，与他进行棱镜实验时观察到的现象不同。有些学者与牛顿观点相反，认为光是一种波，和池塘里的涟漪一样。

“光波动说”阵营［包括荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）和英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）］手握关键证据，表明光只可能是一种波。这个实验相当简单，只需要一束光和有两个紧密相连小孔的屏障。光束穿过小孔，照射到后面的墙上时，会产生令人惊叹的图案：映射在墙面的不仅是两个亮点（穿透小孔的光），还有类似斑马纹一样的明暗条图。对于“光波动说”阵营来说，这是一个无可辩驳的证据：墙上的明暗条纹就是所谓的“干涉条纹”，是光波穿过屏幕上的小孔相互重叠与互相作用造成的。两条波完全重叠时，会相互促进生长，产生明亮的条纹。当波完全不协调时，就会相互抵消，产生黑带。“双缝实验”产生的图案只有在光是波的情况下才能产生，即1号孔波与2号孔波彼此干扰，产生了这些独具特色的干涉条纹。后世的麦克斯韦用描述波的方程式推算出光速，似乎已板上钉钉——光就是波动。

然而，不出所料，现实往往比设想更加复杂。20世纪初，新的实验浮出水面，其结果只能由“光是独立粒子组成的”来解释，仿佛光是一个个承载能量的“小包裹”。科学家注意到，用光线照射金属片时，会使电子跳出金属。这对“光就是波”理论本身来说不是问题——可以解释为波携带能量，当光波撞击原子时，就会将电子撞出轨道。令人费解的是，增加光亮并没有给电子提供更多的能量——只是产生了更多的电子。想让金属射出更快更高速的电子，只能换一种颜色。如果用暗淡的红光照射金属，就会产生少量的慢电子；调高亮度只会产生大量的慢电子。相比之下，暗淡的蓝光会产生少量快速、高能的电子（而明亮的蓝光会产生大量的高能电子）。用波是无法解释这一点的。波强与能量正相关，比如：声音越大，声波就越强。波的特性就是这样的，但光波却并未如此表现。这个令人意外的结果只有在光是粒子的情况下才说得通，即光是携带能量单位的粒子，命名为“光子”。光子击中电子，会传递些许能量，将电子从金属中踢出，就像台球比赛中白球用力过猛不小心把目标球打飞出局一样。光的颜色与光子的能量相对应（红光由低能光子组成，蓝光由高能光子组成）。增加光的亮度并不会改变单个光子的能量——只会让你获得更多等能光子。

所以光是什么——波动还是粒子？似乎陷入了僵局：有些实验表明只能是波动，有些实验表明只能是粒子。我们能给出的最好的答案是——这确实是非常难理解的概念——两种属性并存。光既是波，也是粒子。

光的波粒双重性是我们概念工具箱的最后一个成员。光波有“波长”（两个相邻近波峰之间的距离）：红光的波长大于蓝光。无线电波的波长大于可见光，而X射线的波长就短得多。光也是粒子——光子，每个光子都携带一定能量。在这种语境下，我们的术语由“长波长光”化为“低能光子”。同样，“高能光子”就替代了“短波长光”。

想深究这个话题，最少需要一整章，甚至整本书也说不完，而我们还有一个不可见的宇宙需要探索。就我们的目的而言，记住两点即可。我们可以说光是波，也可以说光是粒子，这两种说法都没有错。但对这本书来说，重要的一点是，有些不可见的光表现得更像波，有些更像粒子。当能量很低，波长很长——如无线电频段，把光理解为波更有意义。所以我们将讨论“无线电波”。但是当能量很高、波长很短的时候，把光看作粒子就更有意义，因此我们常用“X射线光子”，把更高能的伽马射线看作来自太空的小子弹。但是两种模型都没有完全抓住光的全貌（实际上光的本质是超出常理的存在，我们大脑无法完全理解，十分神秘）。但我们目前尚可将光想象为迷你波动和粒子，并用此模型理解现实，这就足够了。 tZfUi8VrXXTzxyM+eZwPzagCSYxc2nkvWhvVifvF6+qHgy7qSUCS37ufOs83xLR9