2 光是什么

关于隐形传态的第一次实验是用光来做的。然而，光到底是什么呢？对此问题，人类痴迷已久。想必在文字出现以前，人类便已开始思索，我们是如何通过光来感知到近处和远处物体的存在的。光自光源——比如太阳甚或是一根小小的蜡烛——发出，进入我们的眼睛，我们便辨认出了物体。对此，物理学家有两种基本的观点。一种观点认为，光与物质一样，由一个个粒子构成。另一种观点则认为，光是以波的形式存在的。这两种观点分别被称作光的粒子说和光的波动说。

对于光的粒子说，我们可以简单理解为光就像子弹或弹珠那样传播。对于光的波动说，我们则可简单将光类比为池塘水面上的水波。这两种简单说法，分别表达了粒子说和波动说的本质特性。

对于弹珠而言，它时刻都有固定位置，在有限的空间内移动。同样，光粒子沿某种轨迹，从光源出发，到达我们见到的物体和我们的眼睛。并且，像发射连续不断的弹珠或子弹一样，光源——比如太阳——向我们发射出不计其数的微小的光粒子。这些粒子会撞击到马路对面的大树，其中一部分被树木反射并散射开，这里面又有少数最终被收入我们的眼睛。

相对于弹珠，池塘水面的水波却非囿于一隅。如果将一颗石子投入平静的池塘，我们最终会看到水波遍及整个池塘（见图1）。另外，水波并不以片状或块状的固定形式存在，而是可以扩散到池塘任何范围。比如说，一只虫子在平静的池塘表面滑走，会引发水面泛起涟漪；几块巨石翻滚入池塘，则会激起腾飞的巨浪。因此，水波可小亦可大。

图1　波的本质。将一颗石子扔进平静的池塘中，水波便从入水点开始蔓延。

那么关键问题来了，光到底是什么？波动说和粒子说，哪一个能够解释光呢？光到底具备前面我们所描绘的哪些特征呢？

物理学的历史，在很大程度上就是人类对光的本质的探索史。很久以前，人们便开始探索光到底是粒子还是波。艾萨克·牛顿与罗伯特·胡克所分别主张的微粒说[1]与波动说，都吸引了大批拥趸，在18世纪早期，两方争得不可开交。当时，微粒说胜出。许多人都认为，牛顿当时在学术界的权威性使得胜负的天平产生了倾斜。

波动说

1802年，医学博士托马斯·杨进行了一项实验，使我们认清了光的本质。这项实验是科学史上最伟大的实验之一，其设计却极为简单。

托马斯·杨让光线通过两个狭缝，然后他便在狭缝后面观察到了明暗相间的条纹（见图2顶图）。今天我们将这些条纹称为“干涉条纹”。

如果我们将其中一条狭缝遮住会怎样呢？结果是我们看不到任何条纹，而只会看到一片亮光（见图2中图）。如果遮住另一条狭缝，我们同样会看到一片位置略微移动的类似的亮光（见图2底图）。两片亮光有大片的重合区域。

按照微粒说的观点，当两条狭缝都开放时，观测屏上的光应该是两条狭缝各自开放时观测屏上光的总和。然而，实际上这一假想却是错误的。在重叠的区域，杨观察到了明暗相间的条纹——干涉条纹。也就是说，当两条狭缝都开放时，产生了没有光到达的暗条纹区域。而只开放其中一条狭缝时，这片区域中又有了光。对亮条纹区域进行仔细的测量发现，其光强度超过了两条狭缝各自开放时光强度的和。这该如何解释呢？

图2　优化版的托马斯·杨双缝干涉实验。激光器发出的光通过隔板上两个狭缝开口，最终投射到了观测屏上。当两条狭缝都开放时（顶图），我们会看到一系列明暗相间的“干涉条纹”。如果仅有其中一条狭缝开放（中图和底图），我们会观测到一片没有条纹的受照面。显然，在顶图中，其条纹式样并不是中图和底图受照面的叠加。在暗条纹区，来自两条狭缝的光相互抵消，在亮条纹区，则互相加强。暗区光的消失和亮区光的加强证实了光的波动性。

这一波形图很好地解释了“干涉条纹”。我们假设图中光波自左向右传播，自隔板一侧穿过两条狭缝之后，在隔板另一侧形成了新的两束光波，到达观测屏。观测屏的中线到两条狭缝的路径长度相等。在这种情况下，两束光波的振荡在观测屏的中线处产生同步，并互相加强，便形成了亮条纹。如果我们将图中的观测点向左或向右移动，两条路径则会一条变长，一条变短。此刻，从这两条狭缝到观测屏上任意给定点的两条路径长度便不再相等。

因此，随着新观测点位置的变化，这两束光波的同步性也在变化，它们变得越来越不同步。在某一时刻，两束光波会完全不同步。此时，一束光波到达波峰，另一束光波到达波谷，两波相互抵消。我们可以想象相同情况的两个水波，其中一个的波峰与另一个的波谷相遇，则二者相互抵消。

将观测点继续移动，两个路径的长度差便会越来越大，直到恰好达到一个波长。此刻，波峰再次相遇，两束光波相互加强，便会出现亮条纹。

如果我们再次移动观测点，这种情况就会重复。两束光波的波峰和波谷交会抵消的无光暗区和相互加强形成的亮光区会再次出现，从而形成了我们所看到的干涉条纹。

托马斯·杨的这一实验使得物理学家们确信：光是一种波，而不是粒子。

粒子说

后来，1905年，来自瑞士伯尔尼专利局的一位名不见经传的职员发表了颠覆物理学本质的一系列论文。在其中一篇论文中，当时年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦提出了他的相对论。然而，这只是我们目前所关注的发表于那一年的第一篇论文。爱因斯坦在写给其好友康拉德·哈比希特的一封信中，称这篇论文是“革命性的”。在这篇论文中，爱因斯坦提出，光是由粒子构成的，这一发现令人猝不及防。

1926年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯将这些光粒子（亦称光量子）命名为光子。在爱因斯坦时代，光的波动性理论已经有了大量依据，双缝干涉实验只是其中之一。而当时仅作为瑞士伯尔尼专利局一名年轻职员的爱因斯坦，是如何胆敢提出相反的观点，提出“光是由粒子构成的”想法的呢？要确切解答这一问题，我们需要了解一下物理学家们对有序和无序的描述。

[1]微粒说后因20世纪初光粒子的提出又称“粒子说”。——编者注