對(duì)光的研究起源于古希臘，在那里，哲學(xué)家們開始思考視覺是如何工作的。柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯等思想家認(rèn)為，我們的眼睛會(huì)發(fā)出微弱的光線進(jìn)行探測(cè)。這些光線將收集我們周圍物體的信息，并以某種方式將這些信息帶回給我們。
大約一千年后，阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家阿爾哈曾（Alhazen）通過提出一個(gè)簡(jiǎn)單的問題證明了這些哲學(xué)家的錯(cuò)誤：如果我們的眼睛能發(fā)光，為什么我們?cè)诤诎抵锌床灰娙魏螙|西？
阿爾哈曾提出了自己的視覺理論。他認(rèn)為，我們的眼睛不會(huì)創(chuàng)造光線而是捕捉光線。根據(jù)他的說法，我們看見物體的圖像，來自于從物體身上反射到我們的眼睛里的太陽(yáng)光線。
阿爾哈曾的理論是對(duì)的，我們身邊的物體都會(huì)反射光線。
這個(gè)理論同樣可以解釋為什么我們可以看到不同的顏色。當(dāng)我們將光線照射到玻璃棱鏡上時(shí)可以看到，白光包含各種顏色的光。
例如，當(dāng)白光照射到一個(gè)紅蘋果上，這個(gè)蘋果會(huì)吸收除紅光外的所有光。這樣，紅光就可以被反射到我們眼中并讓我們看到這個(gè)蘋果。
我仍然沒有解釋光到底是什么。讓我們先看一看維基百科給出的光的定義：
光或可見光是可被人眼感知的電磁輻射。
電磁頻譜
所有的電磁輻射的頻譜被稱為電磁頻譜?？梢姽馐遣ㄩL(zhǎng)大約在 380-700 納米之間的電磁波。
電磁輻射是空間中以光速傳播的電和磁的振動(dòng)。電磁波和機(jī)械波（聲波、湖面的水波等等）之間最大的區(qū)別是電磁波的傳播不需要介質(zhì)（比如水或空氣）。
我們來考察一下聲波這種機(jī)械波：
我們可以看到一根桿在空氣中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)的，空氣粒子（黑點(diǎn)）也開始運(yùn)動(dòng)。它們之所以這樣運(yùn)動(dòng)，完全是由于壓力的作用。
粒子密度越大，壓強(qiáng)就越大；粒子密度越低，壓強(qiáng)就越小。粒子總是從高壓區(qū)域移動(dòng)到低壓區(qū)域?？梢韵胂笠粋€(gè)氣球：對(duì)于吹飽的氣球，氣球內(nèi)部的壓強(qiáng)高于氣球外部的壓強(qiáng)（相同空間量下的空氣粒子數(shù)）。當(dāng)你松開氣球的末端時(shí)，空氣粒子將被推出氣球，氣球?qū)?huì)收縮。這表明空氣顆粒從高壓區(qū)域移動(dòng)到低壓區(qū)域。
如果仔細(xì)觀察移動(dòng)的粒子，您可能會(huì)注意到每個(gè)粒子都在兩個(gè)依次出現(xiàn)高壓的區(qū)域之間來回移動(dòng)。正是這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了波動(dòng)。粒子本身不會(huì)從運(yùn)動(dòng)的桿那里移動(dòng)到人的耳朵，但桿的能量可以。機(jī)械波只傳輸能量，不傳輸質(zhì)量。這些波需要介質(zhì)中的粒子來傳輸能量，然后這些粒子再把能量傳遞給其他粒子。機(jī)械波的另一個(gè)形象的例子是倒下的多米諾骨牌。
正如前面提到的，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，它們可以在真空中傳播。
電磁波
電和磁是相輔相成的。甚至有一整個(gè)物理學(xué)的學(xué)科來專門研究它們之間的關(guān)系，那就是電磁學(xué)。
任意移動(dòng)的電荷都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。例如，當(dāng)電流在直導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線周圍就會(huì)形成一個(gè)電磁場(chǎng)。
如果想增強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，那么你可以把導(dǎo)線繞成線圈。這正是電磁鐵的基本工作方式。
變化的磁場(chǎng)同樣可以產(chǎn)生電場(chǎng)，進(jìn)一步可以產(chǎn)生電流。
電流只有在磁鐵運(yùn)動(dòng)（磁場(chǎng)變化）的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生。
既然知道了電和磁之間的基本關(guān)系，我們就可以重新思考電磁波了。
創(chuàng)造電磁波 | 加速電子
一個(gè)加速的帶電粒子（如一個(gè)電子）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，它的運(yùn)動(dòng)也可以產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生另一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)就會(huì)這樣彼此激發(fā)下去。結(jié)果就是在空間中產(chǎn)生一個(gè)高速傳播的電磁波。
思緒有點(diǎn)跟不上了？別擔(dān)心，我們來看一看接下來的解釋：
加速電子可以通過在電線（天線）的中心放置交流發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，這可以在導(dǎo)線中產(chǎn)生交變電流。前面我提到過，電荷的任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。因?yàn)槲覀兊碾娋€中有電荷運(yùn)動(dòng)，所以電線周圍會(huì)形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周圍會(huì)形成另一個(gè)電場(chǎng)，周圍的電場(chǎng)將再形成另一個(gè)磁場(chǎng)。于是產(chǎn)生了一個(gè)自發(fā)的、隨時(shí)間變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā)的過程，電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)傳播到距離天線越來越遠(yuǎn)的地方。這樣我們就產(chǎn)生了電磁波。
電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間總是相互垂直的。
上面的圖只表現(xiàn)出電場(chǎng)線或磁場(chǎng)線中的一條。真實(shí)的電磁波可以用下圖表示。矢量 E 代表電場(chǎng)，矢量 B 代表磁場(chǎng)。
現(xiàn)實(shí)中，從天線出發(fā)的電磁波會(huì)向各個(gè)方向傳播。
通過控制電流在天線內(nèi)改變方向的速度，我們可以控制電磁波的頻率。頻率越高，波的壓縮程度越高（波長(zhǎng)越小）。波的頻率不影響波本身的傳播速度。傳播速度始終等于光速。
創(chuàng)造電磁波 | 激發(fā)電子
使用天線并不是產(chǎn)生電磁波的唯一方法。電子從原子中的高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)同樣可以發(fā)出電磁波?？梢钥吹剑谠觾?nèi)部，電子圍繞原子核運(yùn)行。電子離中心越遠(yuǎn)，其能級(jí)越高。
我們可以通過多種方式來向原子注入能量使電子遠(yuǎn)離原子核。但是，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，被激發(fā)的電子將不可避免地回到其初始的能量狀態(tài)。剩余的能量（發(fā)射能量）隨后以光子的形式釋放。根據(jù)電子釋放能量的大小，光子也會(huì)攜帶或多或少的能量。
但，什么是光子？光子是一種沒有靜質(zhì)量的粒子，它代表光最小離散的能量。當(dāng)一個(gè)粒子的質(zhì)量足夠小時(shí)，它就會(huì)表現(xiàn)出像波一樣的特性。光子沒有靜質(zhì)量，所以它表現(xiàn)得像波一樣。但是，之前我們都說光是由電磁波構(gòu)成的，現(xiàn)在為什么突然把它看成粒子了？
為了更好地理解這一點(diǎn)，我們必須回顧一下持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)的關(guān)于光是波還是粒子流的爭(zhēng)論。
是波還是粒子？
17 世紀(jì)，艾薩克?牛頓進(jìn)一步發(fā)展了微粒理論。在這個(gè)理論中，光是由微小光粒子組成的。這些粒子以光速進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。他可以利用這個(gè)理論來解釋光的反射和折射。但是，微粒理論不能解釋光其他所有的性質(zhì)。例如，光會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。當(dāng)兩個(gè)（或更多）波相互干涉時(shí)，這些圖樣就會(huì)產(chǎn)生。粒子流不能形成干涉圖樣，只有波的干涉可以產(chǎn)生。此外，不同波長(zhǎng)的波可以解釋為什么可以看到各種不同的顏色，這是為什么光應(yīng)該是波而不是粒子流的另一個(gè)原因?；谝恍╊愃频膶?shí)驗(yàn)，荷蘭科學(xué)家克里斯蒂安?惠更斯的波動(dòng)論被廣泛接受；在 19 世紀(jì)，詹姆斯?麥克斯韋甚至可以證明光是一種以光速在空間中傳播的電磁波。
但是，到了 20 世紀(jì)，像愛因斯坦等科學(xué)家做了一些新的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)似乎表明光實(shí)際上是由粒子流組成的。他們做的最重要的實(shí)驗(yàn)與光電效應(yīng)有關(guān)：當(dāng)我們將光線照射到金屬上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，電子會(huì)從金屬表面發(fā)射出來。
這些實(shí)驗(yàn)之所以特別，是因?yàn)楫?dāng)你增強(qiáng)入射光的光強(qiáng)，發(fā)射出的單個(gè)電子的能量不變。光強(qiáng)只會(huì)改變發(fā)射出來的電子數(shù)。光強(qiáng)越強(qiáng)，發(fā)射的電子越多。如果光是波的話不可能發(fā)生這種情況。因?yàn)?，?dāng)波照射到電子上后，電子會(huì)從光波中吸收能量，同時(shí)抵消掉這部分光。這意味著增加光強(qiáng)可以增加每個(gè)發(fā)射電子的動(dòng)能。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓科學(xué)家感到很困惑。為了更好地了解發(fā)生了什么，他們保持入射光光強(qiáng)不變，但改變光的頻率（不同的顏色）。結(jié)果表明，頻率越高，發(fā)射電子的動(dòng)能越高。
多虧了這些實(shí)驗(yàn)，使得愛因斯坦能夠解釋到底發(fā)生了什么。他說，光不僅僅是一種波，它由被稱為光子的離散波包組成。當(dāng)光子有足夠的能量時(shí)，它可以讓電子從金屬中溢出。光強(qiáng)越大，越多的光子射向金屬表面，因此從金屬中發(fā)射的電子也就越多。光的頻率越高，每個(gè)光子的能量越高，導(dǎo)致發(fā)射的電子具有更高的動(dòng)能。
最后的思考
總之，光既是一種波，同時(shí)也是一種粒子流。在量子力學(xué)中，這被稱為波粒二象性。阿爾伯特?愛因斯坦在解釋完光電效應(yīng)后寫道：
我們好像有時(shí)必須使用一種理論，有時(shí)必須使用另一種理論，而有時(shí)我們可以使用其中任意一種。我們面臨著一種新的困境。我們對(duì)現(xiàn)實(shí)有兩種相互矛盾的看法；它們各自都不能完全解釋光的現(xiàn)象，但把它們結(jié)合在一起，就可以解釋光是什么了。
—— 愛因斯坦
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圖片來源見原文
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：M. D. Baecke，翻譯：Nothing，審校：zhenni
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