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光的神奇本质（第1页）

光的神奇本质

人们对光的关注从人开始思考这个世界就开始了，因为我们就生活在光无处不在的世界中。在自然科学从宗教中分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。牛顿构建了经典物理学的大厦后，人类的科学思想得到突破，开始讨论类似你“光是什么?”的问题，并且在一定程度上取得了理论上的成果。

*牛顿的光实验

1666年，当牛顿用数学公式表达出他的三个运动定律和万有引力定律时，他同时也在用光做实验。雨后彩虹具有炫目的色彩，光通过豪华装饰灯的棱柱会产生各种颜色，这些都是人们所熟悉的现象。当时人们认为光是白色的，是天空中的什么东西及玻璃中的物质给光添加了颜色。牛顿在晚些时候写道：“在1666年，我做了一个玻璃三棱镜，以演示这种光的现象。”

牛顿做的实验非常简单，但这之前没有人想到去做这件事。牛顿将工作室的窗户遮住，只留一个小洞让很窄的一束光射进来，射进来的光是白色的。他再把他做好的三棱镜放在光前。于是，在对面的墙上就出现了包含全部颜色的光谱。

然后，牛顿又采取了关键的一步。他拿来了两块木板，每块木板上都有一个很小的洞。他将一块木板放在三棱镜和玻璃之间，使射到三棱镜上的光束更窄。另一块木板放在三棱镜和墙之间，只让一种颜色的光通过木板上的小洞射到墙上。然后，他把第二块三棱镜放在第二块木板的小洞前，发现只有单种颜色的光射到墙上。第二块三棱镜并不改变光的颜色。他对光谱中的每种颜色逐一进行了检验，发现每次通过第二块三棱镜的光都不改变颜色。这样，颜色就不在三棱镜之中，而在光自身之中，否则第二块三棱镜应产生所有的颜色，而不应仅仅是一种颜色。光不是白色的，它实际上包含了彩虹中的所有颜色，当光经过三棱镜或被反射之后，各种颜色的光就显现出来。最后人们明白了，天空中的小雨滴在某种情况下起到了三棱镜的作用，使光发生折射，从而产生炫目的彩虹。

后来，牛顿又做了另外一个实验，用第二块三棱镜将各种颜色的光合成白色光。这个实验记录在他1704年出版的《光学》书中。在明白了自然光的组成之后，牛顿开始解决影响显微镜和望远镜的一个问题。不管用显微镜还是望远镜进行观测时，在边缘都会出现彩色条纹，使被观测的像模糊不清。当放大率增大时，这个问题越发严重。在1668年，牛顿用凹面镜设计了一个望远镜，因为这样的镜面反射光，而不像透镜那样使光分解或折射光，因而消除了彩色条纹。由于这个原因以及镜子比透镜更便宜、更宜安装，所以今天的许多大型反射望远镜都缘于牛顿最初的设计。

*科学家对光速的研究

牛顿也曾提出，光由他称为“微粒”的东西组成，比如血液中的细胞，四处喷射。这个观念被广泛接受，尽管在之后的200多年中这种粒子的性质并没有得到进一步的说明。与此同时，丹麦天文学家罗默于1676年发现了另一件事。

自古以来，人们一直认为光速是无穷大的，但罗默在巴黎天文台观测木星的第一个卫星的星食时发现，这个卫星并不在预定的时间运行到木星的后面。并且，木星离地球越远，观测到的星食时间会越迟；木星离地球越近，观测到的时间会越早。这意味着光速是有限的。

光是白的，尽管它包含多种颜色的光。光以有限的速度传播，尽管这个速度很快，接近声速的一百万倍。光似乎由粒子组成。这些是人们在18世纪初就得到了的共识，之后的200年间并没有多大的发展。

爱因斯坦在他1905年关于狭义相对论的文章中，处理了光的另一个方面——光速。狭义相对论认为，不管一个观测者以很高的速度接近光源还是远离光源，对观测者而言，光速都相同。这种情况下会发生一些奇怪的事情。在观测者的参考系中，长度将缩减，时间将延长，质量将增加。在通常的速度下，这些效应并不发生，牛顿定律仍然适用。但当速度接近光速时，就要考虑时间延长这样的效应了。当太空船以光速或更高的速度飞行时，那么太空船上的时间将停止，太空船的长度将缩到零，它的质量将变成无穷大。所以，任何东西实际上都不能达到或超过光速。

爱因斯坦发展的关于光的新观念同样让物理学家头疼不已。光像引力一样，曾被认为在以太中传播。1889年，迈克耳孙和莫雷所做的关于光速的实验结果说明并不存在以太，这就意味着光和引力以另外的方式传播。这是一个结果与初衷完全相反的实验。迈克耳孙，一个4年前刚从美国海军学院毕业的有才气的年轻人，和莫雷，一个非常杰出的化学家，只是想证明存在以太。迈克耳孙设计了一个光学干涉仪，同时发射两束光，一束穿过所谓的“以太”，另一束则方向与此垂直。由于波是有方向的，所以以太也应有一个方向。这样，与以太方向相同的光束，和与以太方向垂直的光束的运行时间会有一个差别。这就像与海浪方向一致的船，比与海浪方向垂直的船运行得更快一样。而实验结果却是毫无差别。

以太的不存在为普朗克、爱因斯坦和量子理论铺平了道路。波动理论正遭受着挫折，也许所有的东西都是粒子的。然而，并非所有的物理学家都情愿放弃波。因为光具有反射和折射现象，声波、水波有反射和折射现象，因而光是一种波。这样的论断让人难以反驳。

另一方面，随着20世纪检验量子理论技术条件的成熟，一个又一个多年前就被预言存在的粒子在实验中被发现。量子理论成为一个非常成功的理论，这些也让人难以反驳。于是人们越来越接受两种情况同时存在的观念，这反映在光子的定义中。比如1998年的科学百科是这样定义的：“在物理学中，光及其他的电磁辐射发出的基本粒子或能量量子，既具有粒子性质，又具有波的性质。”

*光究竟是波还是粒子？

那么，光什么时候是波?什么时候是粒子呢？一般而言，当光通过真空时可被认为是波，当它遇到其他物体表面时可被认为是粒子。天文学家利用光波的性质决定红移，从而判定一个恒星或星系离地球有多远。涉及到激光时则需要运用光的量子定义，许多物理学家对这种处理方法都深深地不满。这种处理流行的原因是因为它具有较大的宽容度。一个科学家可以说光更像波，与此同时，另一个科学家可以说光更像粒子。这依赖于科学家所从事研究的性质，他们都可以是对的。这让物理学家多少有些不自在，有时他们希望这个问题能立即得到解决，这对于在学校中学习物理的年轻人会很有帮助。否则，可能你在高中学到了光是波，而在大学里又发现光是粒子。

在20世纪，人们做了关于光的各种各样的实验，有些是非常著名的科学家做的，结果表明光既是波，又是粒子。实验的结构可以改变结果，而各种实验本身都是正确的。这反映了基本的量子悖论。

光是波呢，还是粒子?牛顿没有解决，爱因斯坦没有解决，我们能够解决吗？

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光的传播速度为每秒30万千米。如果要说得精确，光速每秒为299792。458千米，这是光在真空中的传播速度，这个速度相当于每秒绕地球7圈半。

无论是在地球上静止测量，还是在宇宙飞船中运动测量，光速测定的数值都是不变的。也就是说，光速不受光源的影响，也不受观察者运动速度的影响，它是个绝对值。爱因斯坦的相对论也告诉我们，光速是最大的速度，任何物质运动的速度都不能超过光速。事实也证明，在地球上，在我们日常生活中，的确找不到有比光速更快的运动物体。问题是，在地球上没有，不等于说在茫茫宇宙中也不存在。在基本粒子世界里，会不会有超光速现象呢?

物理知识告诉人们，高能粒子运动的速度是极快的，在高能加速器中，运动速度可以达到每秒20万千米，甚至25万千米，那么其中会不会出现超光速的粒子呢?

前苏联科学家切伦科夫发现，光在水中的传播速度要比在真空中慢，而高能粒子在水中的速度却超过光速。这一现象后来也被其他科学家所证实。这一现象使人们认为，在自然界中存在超光速的粒子——“快子”。

天文学家在20世纪又有了重大发现，即类星体的发现。对类星体进行观察，发现存在超光速现象。开始发现一个叫3C120的类星体，它在膨胀，而且膨胀的速度是光速的4倍。在遥远的宇宙深处，竞有这种奇怪的现象。后来还发现有的类星体包括两个射电的子源，两个子源以极高的速度分离。类星体3C345的分离速度是光速的7倍。经过观测，科学家最终确定了这一事实。另一种类星体的两个子源的分离速度竟是光速的10倍。面对这个事实，物理学家和天文学家都提出了不同的解释。有人认为爱因斯坦的相对论绝对正确，认为类星体观测到的超光速现象只是一种假象，称作视超光速膨胀。也就是说，看起来超光速，实际上不超光速。而另一些科学家则认为，只要类星体处在很遥远的宇宙深处，那么类星体的分离速度的确是超光速的。

不论哪种解释，都有不完善之处，因此，超光速现象还是一种猜测，超光粒子还在寻找之中。