光的本质是什么？

乌文俊

光的使命感，首先是光谱，就像是一个老者，他有着父亲一族，母亲一族，祖母一族等等交织在一起的“九族”血亲关系。但是，光量子虽然能把光的谱系界定为“光粒子”，却无法识别不同来源的“光量子”，也无法对他们进行恰当的“命名”。既然无法识别他们特有的“光学身份”，也就无法确知他们的“父亲是谁，母亲是谁”。这样，再谈“光的本质”是没有什么道理可言的。欢迎来喷。感谢阅读。

兆昌416

光的本质，一直争论了几个世纪，

在物理学史上留下了非常精彩的篇章。从牛顿的微粒说，惠更斯的波动说，两派战斗了几百年，中间更有胜负；到了19世纪，菲涅尔，托马斯杨等验证了光的干涉，衍射等性质，波动说占了上风，随着麦克斯韦的电磁波理论出现，人们理解了光是一种电磁波。

爱因斯坦光量子理论，光的波粒二象性

1905年，爱因斯坦提出了光量子理论，并以此解释了困扰人们多年的光电效应现象，在光电效应里，光的粒子性得到了验证，光是携带能量为E=hv的微粒，和金属中的电子发生作用，把能量全部转移给电子。 爱因斯坦后来指出，光是波粒二象性，在转移能量时会表现出来粒子的性质，而在它的传播过程中体现的是波动性。

爱因斯坦以光量子理论及其对光电效应的解释，获得1921年的诺贝尔物理学奖，

对，不是相对论获奖，因为那时验证相对论的实验还没有完成，而光量子理论已经被多个实验所证实，最出名的就是密立根光电效应实验（获得1923年诺贝尔物理学奖），和康普顿散射实验（获得1927年诺贝尔物理学奖）。

如今的各种光电器件，光纤通信，我们能够上网和各种通信，都是依赖于爱因斯坦的光量子理论贡献。

光量子的思想却在继续发酵，引出了后续量子力学发展

爱因斯坦是量子论的先驱，法国的德布罗意在爱因斯坦的光量子的启示下，更是惊人的想象力提出一切微观粒子都是波粒二象性，提出了物质波理论。而薛定谔为了寻找物质波的波函数提出了薛定谔方程，海森堡等提出矩阵力学和不确定关系，玻恩提出了波函数的概率统计，以上形成了整个量子力学的发展基础。

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光的本质的问题，其实到现在还有人在做研究。包括早期的粒子说、波动说，到后来的波粒二象行，以及近期在Science上的研究，认为光子「亦波亦粒，非波非粒」，都在不断的演进。

有的说法看起来很玄，实际上是因为自然语言的缺陷，只能说到这个地步。要准确的理解，则需要学习数学工具。

不过对于光的理解，有一些共识，基本上没有什么问题。

比如光是电磁波。

根据麦克斯韦方程组去解波动方程，你会得到一个电磁波的传播速度。而这个速度恰恰就是光速。

而且这个速度是与参考系无关的。麦克斯韦在建立麦克斯韦方程组的时候，似乎并没有考虑参考系的问题，但其「与参考系无关的速度」，恰恰引发了相对论「光速不变」的基本假设。

还有就是光具有波的属性，也具有粒子的属性。这在数学上看，实际上是因为大部分光的光谱是不纯的，不纯的光谱会产生局域化的波包。

章彦博

光是一种电磁波，是一种肉眼可以看见的电磁波。其本质是一种处于特定频段的光子流，由称为光子的基本粒子组成，具有粒子性与波动性，即具有波粒二象性。

发现光的这种属性的是19世纪伟大的苏格兰物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦。他从法拉第研究得出电场和磁场可以相互转换这个发现着手，想用精确的微分方程来表达这个成果和自己的立场，由此，他发现这些电磁场会制造出一种波，他通过计算这种波的速度，正是光速。

于时他提出了伟大的预言：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由相信光本身就是一种电磁干扰。

由此，人类最伟大的发现之一，光的奥秘被揭开了。后来的研究对光的性质和传播有了更深刻的认识。现在我们认识到，光是依靠光子传播。

1905年，爱因斯坦指出，光子又叫光量子，是一种规范玻色子，是传递电磁相互作用的基本粒子。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子的静止质量为零，在真空中直线运动，光速的国际公认值为 c=299792458米/秒。

所有的粒子或者量子的运动都具有波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。这种属性指的是微观粒子不仅可以以粒子的术语来描述，也可以用波得术语来描述。光子是一种量子，当然也具有这种属性。光的这种属性说明光即可以一个个光子的方式发出，又是以波的形式传播。

光的性质揭开和确定后，对物理学的发展和人类对宇宙的认识有了十分重大的意义，爱因斯坦的狭义相对论就是以光的性质以及与时空的关系为基础推导出来的。

光是人类最重要的一种现象，是人类认识世界的最基本媒介，不可想象没有光这个世界是个什么样子。如今人类对光的性质有了深刻的了解，成为衡量和认识宇宙的最重要手段。

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时空通讯

光的本质

麦克斯韦方程组推导出，光，是一种电磁波，是电场和磁场在空间中的交替波动，并以光速c=1/(ε0μ0)½在空间中传播。

光是电磁波，是有大小的，其大小就是半波长½λ。

光，不是粒子，不是一个一个的点。

光，不是同时具有波和粒子的特性，不是波粒二象性。

光电效应，金属中的电子吸收频率为ν，大小为½λ的波包的能量，而脱出金属的束缚。

如果把微观物质(包括光)当作是一个粒子看待，把它当作一个质点来研究，那么，就丢掉了最基本而最本质的信息；如果再对它进行归一化，那么，就再把量纲也给丢掉了。这样的结果只能是几率的，这就是哥本哈根学派的量子力学理论出现错误的根源。

请看下表，光和物质波的对比，这一对比，就建立了一个全新的量子力学理论来。

这个新理论，解释了现在所有不能解释的微观世界的奥秘。

此论文将于《科学》上发表！

袁灿伦

光的本质是什么，直到今天也没有一个定论，关于光是粒子还是波的争论持续了几个世纪，100多年前，人们证实了光是一种电磁波，今天公认的是光具有“波粒二象性”。

想要知道光的本质是什么，首先就要认清光的传播过程，光是一种能量的形态，我们说光没有静止质量，这是根据相对论和质能方程式推导而出的，但是光有动质量。光可以从一个物体传播到另一个物体，而不需要任何的介质。

我们肉眼可见得光，只占有光的很小的一部分，大部分的光是不可以被肉眼直接看到的，例如红外线和紫外线等等。实验证明，光在传播的过程中主要表现为波动性，而在和物质作用的时候主要表现为粒子性。大量的光子表现为波动性，而少量的光子表现为粒子性，光的波长越长就越是表现为波动性，而波长越短越是表现为粒子性。

1905年，爱因斯坦为解释光电效应提出了光量子假说，而到了1924年德布罗意在爱因斯坦的启发下，提出了物质波的概念，认为不仅是光，一切物质都具有波粒二象性，并且在以后的实验中得到了验证。一个运动的乒乓球按道理说也是有波长的，但是质量太大的物体波动性都是不太明显的，所以无法被感知罢了。

一切物质都具有质量和能量，但是我们讨论到光的时候，一般都是认为光是能量的一种形式。光的本质是什么这个问题在过去的几百年里难倒了不少的物理学家，最近的100多年，人们才对于光的认识方面有了比较大的进展，光的秘密本质也正在一步步被人们揭开。

镜像宇宙

以我们认为的“本质”——光是一种电磁波

目前我们认为的光是一种电磁波，一种由变化的电场和磁场相互作用衍生传播的震荡电磁场，它具有波粒二象性。

这就是我们认为的光的“本质”，也是现在科学研究得出的结果。更深层次的本质，我们仍然和半个世纪以前的爱因斯坦，有着一样的疑惑。

波粒二象性如何理解？

光的粒子性如何体现？

光是粒子的观点，近代物理学的祖师爷牛顿就是一个代表。

支持光粒子的令人信服的证据，是来自近代物理学光压和光电效应的现象的解释，其中的光电效应后来还使爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。

光的波动性又有哪些支持？

光的折射和衍射现象都是光粒子说无法解释的，后来的杨氏双缝实验也都把证据指向光是一种波。

光波动学说的真正确立是麦克斯韦方程的建立，这使人们对光所谓的“波动性”认识的定量描述。

波粒二象性不只是微观世界才有的

后来随着量子力学的建立，德布罗意波创造性的见解，提出了“物质波”的概念。

这是将微观世界和宏观世界联系起来的一项伟大创举，它使我们对自然有了更加深刻的理解。

“物质波”揭示了宏观物体也具有波动性的客观事实，可是我们人为什么感觉不到自己在波动呢？

h就是普朗克常数，它是一个10^-33次方级别的小小数，下面的m换成千克记50，速度记2m/s。

这样得出的一个10^-35次方米的波长，就是一个体重50千克，以每秒2米运动的人所谓的“德布罗意波”。

它如此之小，我们是无法察觉的。

挡不住的熵增

光，究竟是像气流一样的“真空介质波”，还是像β射线一样的“粒子物质波”，或者兼而有之的“波粒二象波”？

这个问题，迄今为止依然是一个悬案。有一点可以肯定：把光说成“波粒二象性”是相对论与量子论不能自圆其说的共同瑕疵。

我主张，光是一种真空介质波。以下是我的论证。搞清“场”与“波”的概念是关键。

场与场量子的定义。

背景知识：物质之间的作用力，诸如引力、电磁力、核力、分子间力、摩擦力、弹力、张力，不可能是亚原子之间的直接作用，而是通过场介质来传递。因此，场的定义与性质，是物理学的重大课题。

场，是亚原子附近的传播能量的抗衡势能发散的真空介质。场量子，是以光速自旋的无序震荡的球形漩涡体。

场与场量子的分类。

场密度有高低：高密场、低密场、基态场。场的密度与场的抗衡空间成反比。基态场的密度最低，抗衡空间最大。

场有不同来源：静电场、静磁场、电磁场、引力场、重力场、强力场、弱力场、热力场。其中，重力场=引力场+向心力场。

无序震荡的场量子，是熵值最大、密度最低、温度最低、真空度最高的基态场量子。基态场量子是所有费米子与玻色子的最终归宿。

有序震荡的场量子，是承载了特定角动量的玻色子。诸如：承载强力的π±/π0介子、承载弱力的W±/Z0介子、承载电磁力的光子、承载万有引力的引力子。

波的定义与分类特征。

波是外力或谐振子激发周围的大量场量子做径向有序的依次推涌。波是承载外加角动量的动态场。

波是场介质的受激震荡。所有波都是介质波。介质波有不同的机制。

机械波的发生机制：机械震荡谐振子→辐射角动量→激发场量子变成光子→推涌声子→推涌光子.....轮番推涌。光子以光速运动，但慢速的声子震荡决定机械波传播速度。

电磁波的发生机制：电磁震荡谐振子→激发场量子变成光子→激发相邻场量子变成光子或......依次激发推涌。

单光子自干涉效应：电磁振荡谐振子→发射一次与光子对应的角动量→激发大量场量子变成引力子→激发相邻场量子变成引力子→兵分两路通过两个狭缝→形成两个引力子波阵面→两个波阵面相互叠加共振→形成波峰波谷→最后在底屏留下明暗相间的条纹。

小结并回答本题

光子，既是外加角动量所激发的场量子集团，又是电子湮灭的产物，可设定：光子质量≡电子质量。光子的本质是较高能密的场量子。

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物理新视野

本质上来说，光既是粒子，又是波，即波粒二象性。波粒二象性意味着经典的有关“粒子”与“波”的概念无法直接套用在描述量子范围内。

对于粒子性的理解，现代物理认为，光是量子化的微粒，每个光子携带的能量为E=hv，在光子和金属中的电子发生作用时，把能量全部转移给电子，从而导致电子的能级发生跃迁，这就是光电效应。我们日常接触到的激光器、日光灯等都用到了这个原理。需要注意的是，光子不同于质子、电子等大家熟知的粒子，光子的静止质量为零，只有在运动的时候才具有质量。

对于波动性，我们不能简单的认为光波就是单个光子按照波动规律运动，而是指光子的运动规律要用概率波动原理来计算，单独观察一个光子可能并不能观察到波动，但是当光子的数量逐渐增多时，波动性便显示出来了。光的波动性最直接的证据就是，光可以发生干涉和衍射，这是波才具有的特质。

冷知识

光可以说是所有基本粒子中最具特色，最神奇的一种。没有光，我们眼中的世界就会漆黑一片，整个宇宙的物质构架都会崩塌。光是什么，是人类一直追寻的谜题之一。

光的微粒说以及波动说

光最早被牛顿科学系统地研究，他认为光是一种高速运动的微粒。牛顿发现了光等等色散现象，如果用一个棱镜对光进行分解，我们就可以神奇地得到彩虹!这人牛顿觉得光就像不同的颜色颗粒一样，混合在一起就是白光，通过棱镜之后就可以再次分解为不同颜色的微粒，从而呈现出橙红绿青蓝紫等彩虹颜色。牛顿的这种微粒说，还可以很好地解释光的发射、折射等现象。鉴于牛顿巨大的影响力，几乎当时所有的科学家们都接受了光的微粒说。

但是，仍有一小部分科学家敢于反抗权威。最著名的就是荷兰科学家惠更斯，他直接认为光就是一种机械波，通过一种叫做“以太”的空间介质传播。不过，因为惠更斯人单力薄，他的学说并没有被广泛认同。直到200年后，人们发现了光的衍射和干涉现象，光的波动学说才重新被确立，人们开始逐渐抛弃牛顿的微粒说。之后，特别是麦克斯韦建立的电磁波的波动方程，预言了电磁波并计算得出来电磁波的速度就30万千米每秒，和光速一致。因此他直接指出，光也应该是一种电磁波。之后的赫兹通过实验证实了电磁波的存在并切实得到了电磁波的传播速度，更加证实了光就是一种电磁波。

光的波粒二象性

自赫兹之后，光的波动学说基本成为人人人皆知的真理。不过，到了爱因斯坦的年代，人们在利用光的波动学说解释光电现象时遇到了麻烦。光电现象完全无法用光的波动学说解释!于是，极具批判精神和颠覆性思维的爱因斯坦直接提出，光是一种频率为v、能量是hv的粒子。自此，光的波粒二象性呼之欲出。而随后的双缝干涉实验，更是坐实了光的波粒二象性。

特别是随后的德布罗意首次启发，他更是大胆地指出，任何粒子都具有波粒二象性。它们的波长是：

比如运动的电子，它即使实物粒子，也是一个物质波（德布罗意波）。当然，后续的实验也确实证明了电子的波粒二象性。

光到底是什么呢？

波粒二象性使很多人感到困惑，光怎么能够即使波又是粒子呢？这不是和薛定谔的猫一样：既生又死吗？光子可以根据外部环境的需要，选择是成为粒子或者波，这点在双缝干涉实验中表现的淋漓尽致。那么，有没有一种可能，光子就是一种我们未知的状态，比如是超弦理论中的一段一维能量弦，光子在不同的外部环境中，振动的类型不一样，表现的形式也不一样呢？

这样，光的本质就是一股限制在一定空间范围内的能量而已。这是这种能量被空间完全限制，不能够随意相互融合。