尋常光和非尋常光是什麼（延續千年之問光是什麼）

2023-04-15 03:30:58 4

從某種程度上來說，科學發展的歷程就是對人類對於光的理解和應用的過程。從兩千年前的樸素理解，到牛頓與惠更斯的微粒與波動之爭，認識到波粒二象性，再到光子作為量子場的激發……一路到今天，光早已是科學研究的必備工具。光，光子，既平凡又充滿驚喜。

撰文丨Amanda Solliday & Kathryn Jepsen

翻譯丨Hadron

物理學家稱之為光子的東西，其他人可能稱之為光。作為光的量子，光子是電磁能量存在的最小單元。如果你是在屏幕或紙面上閱讀這篇文章，光子流會把文字的圖像信息帶到你的眼睛裡。

在科學上，光子的用途不僅僅在於照明。

波蘭克拉科夫核物理研究所副研究員理察·魯伊斯（Richard Ruiz）是一位用大型強子對撞機尋找新物理的理論學家，他說道，「光子無處不在。在粒子物理學中處處有它的身影，以至於你幾乎忽略了它們的存在。」光子助力了幾個世紀的科學發現，直到今天它仍然是一個重要的工具。

圖源：Sandbox Studio

從波，到粒子，再到玻色子

自古以來，人們就一直探索光的本質，早期的觀點源自古埃及、美索不達米亞、印度和希臘的哲學家和學者。在17世紀末到20世紀初，科學家們在一個特別的問題上猶豫不決：光到底是粒子還是波？

1690年，惠更斯（Christiaan Huygens）出版了了關於光的著作《光論》（Traité de la Lumière）。他將光描述為波，在滲透於空間中的以太中傳播。牛頓（Isaac Newton）在他1704年出版的《光學》（Opticks）一書中表示反對。理由是當光從表面反射時，它就像一個彈球，它接近反射面的夾角等於它彈出去的角度。牛頓認為，如果光是由粒子（他稱之為微粒（corpuscules））構成的，那麼這種現象就可以得到解釋。

一塊稜鏡可以將一束白光折射成五彩繽紛的顏色，就像一道彩虹。牛頓注意到，當光線通過第二個稜鏡再次折射時，它不再進一步分裂，彩虹的顏色保持不變。牛頓說，這可以通過假設白光是由許多不同大小的微粒組成來解釋。紅光是由最大的微粒組成的，而紫光是由最小的微粒組成的。牛頓思考，它們大小的差異導致了微粒以不同的速度通過玻璃，這使它們分散開來，產生不能被第二個稜鏡進一步分解的彩虹。

然而，牛頓的微粒模型有一個明顯的缺陷。事實上，當光穿過一個小洞時，它就像水中的波紋一樣擴散開來。牛頓的微粒模型不能解釋這種現象，而惠更斯的光波模型卻可以。儘管如此，科學家們通常傾向於否定惠更斯的理論，而相信牛頓，畢竟後者寫了《原理》這本書——科學史上最重要的書之一。

到了1801年，惠更斯的模型終於得到了一些支持，這一年託馬斯·楊（Thomas Young）完成了雙縫幹涉實驗。實驗中，託馬斯·楊將一束光通過兩個並排的小孔，光通過小孔後會形成一種特殊的圖案。在有規律的間隔中，從兩個孔中產生的交疊波紋要麼相互結合產生更亮的光，要麼相互抵消掉，就像海浪一樣。

大約50年後，另一個實驗使惠更斯的光波模型處於上風。1850年，傅科（Léon Foucalt）比較了光在空氣的速度和光在水中的速度，發現與牛頓的斷言相反，光在密度更大的介質中並沒有移動得更快。相反，就像波浪一樣，它的速度變慢了。

又過了11年後，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發表了《論物理的力線》（Physical Lines of Force）一書，他在書中預言了電磁波的存在。麥克斯韋注意到它們與光的相似之處，這使他得出結論：光就是電磁波。

惠更斯的光波模型似乎贏得了勝利。但在1900年，普朗克（Max Planck）提出了一個想法，引發出了關於光的全新概念。

普朗克把電磁波能量分成獨立的能量包，由此解釋了輻射的一些令人困惑的行為。1905年，愛因斯坦以普朗克能量包的概念為基礎，解決了光是粒子還是波的爭論，宣告兩者打個平手。

正如愛因斯坦所解釋的那樣，光既具有粒子的性質，也具有波的性質，每個光粒子的能量對應于波的頻率。他的證據源自對光電效應的研究——光將金屬中的電子撞出來的一種現象。如果光只是一種連續傳播的波，那麼光在金屬上照射足夠長的時間，總是會把一個電子踢出去，因為光傳遞給電子的能量會隨著時間積累。但是光電效應實驗告訴我們並不是這樣。1902年，菲利普·萊納德（Philipp Lenard）觀察到，光只有超過一定能量，或者說光超過一定頻率時才能從金屬中踢出電子，並且這個過程似乎是在光接觸電子的瞬間發生的。在這種情況下，光更像是一個粒子，帶著一份特定的能量。

另一方面，仍然有人相信光的波動模型，羅伯特·密立根（Robert Millikan）就設法推翻愛因斯坦的假設。密立根仔細測量了光電效應中光和電子之間的關係。令他驚訝的是，他反而證實了愛因斯坦的預言。愛因斯坦對光電效應的研究令他獨享1921年的諾貝爾物理學獎。

1923年，亞瑟·康普頓（Arthur Compton）為愛因斯坦的光量子模型提供了額外的證據。康普頓將高能光射向材料，他假設光的行為像小撞球一樣，最後成功地預測了碰撞出來的電子的散射角度。化學家吉爾伯特·劉易斯（Gilbert Lewis）給這些小球起了個名字。在他1926年投給《自然》雜誌的一篇文章中，他首次稱它們為「光子」。

近年來，科學家思考光子的方式也一直在不斷演變。

舉例來說，光子現在被稱為規範玻色子。規範玻色子是一種傳遞力的粒子，它能使物質粒子之間產生基本相互作用。就拿原子來說，原子核中帶正電的質子與環繞它們的帶負電的電子通過交換光子，產生了電磁相互作用。

另外，光子現在不僅被認為是一種粒子，一種波，還是一種激發——有點像量子場論裡的波。量子場，如電磁場，是一種瀰漫在空間中的能量和勢。物理學家認為每一個粒子都是相應量子場的激發。（參見《粒子到底是什麼？文小剛點評 | 眾妙之門》）

「我喜歡把量子場想像成一個平靜的池塘表面，開始你什麼也看不見。然後你扔一塊鵝卵石進去，水就會彈起來一點。這就是一個粒子。」魯伊斯說。

圖源：Sandbox Studio

作為一種工具的光子

無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線，所有這些都是光，也就是說它們都是由光子組成的。

光子就在你周圍「上班」。它們奔波於相互連接的光纖中，傳遞網際網路、電視和手機等各種設備的信號；塑料的升級改造少不了它們「搬磚」，它們將物體分解成可以用於組成新材料的小單元；它們也常在醫院顯露身手，雷射會瞄準並摧毀癌變組織……還有，它們是各種科學研究的關鍵。

光子在宇宙學研究中是必不可少的，研究宇宙的過去、現在和未來都需要用到光子。科學家們通過檢測恆星發出的電磁輻射——比如無線電波或可見光——來研究它們。天文學家對天空進行微波成像，繪製出我們的星系及鄰居的太空地圖；要了解被宇宙塵埃遮住的遠處恆星，他們要探測從那裡發出的紅外光。有些天文學家要收集銀河系和更遙遠的地方高能天體發出的強烈信號，它們可能是以紫外線、X射線或伽馬射線的形式存在。他們還能探測到微弱的信號，比如被稱為宇宙微波背景的微弱的光模式，它們記錄了大爆炸後幾秒鐘宇宙狀態的信息。

光子持續在物理學發揮重要作用。

2012年，大型強子對撞機（Large Hadron Collider）的科學家通過研究希格斯玻色子衰變產生的光子對，從而發現了它。

物理學家唐娜·斯特裡克蘭（Donna Strickland）開發了由高度聚焦的超強超短雷射脈衝，因此分享了2018年的諾貝爾物理學獎。

所謂的光源，是可以產生強烈的X射線、紫外光和紅外光的儀器，這一工具幫助科學家分解最快的化學過程，並從分子的程度上測試材料。史丹福大學材料科學與工程副教授Jennifer Dionne說：「整個電磁光譜，光子為我們提供了關於世界如此之多的信息。」Dionne的研究方向是納米光子學，這是物理學中的一個分支領域，物理學家通過控制光來研究其與分子和納米尺度結構的相互作用。她的實驗室還利用光子來提高催化劑的效果，催化劑是用來啟動高效化學反應的物質。

「光-光子，在化學中是一種人們通常不會想到的試劑。」 Dionne說，「人們經常考慮添加新的化學物質來實現某種反應，或者控制溶液的溫度或pH值。光可以帶來一個全新的維度，它是一個全新的工具包。」

一些物理學家甚至在尋找新的光子類型。理論上的「暗光子（dark photons）」可以作為一種新的規範玻色子，它們傳遞暗物質粒子之間的相互作用。

「光子總是充滿驚喜。」 Dionne說。

原文連結：What is a photon?https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-a-photone