光的历史

量子力学从尝试理解光开始，几千年来人们为此绞尽脑汁。大约公元前5世纪，希腊哲学家恩培多克勒率先建立了光的理论。

他相信人眼中有一块奇妙的火石，由脸部向外射出光芒，从而照亮我们想看到的任何物体。[1]这个想法颇有诗意，却也存在一个明显的漏洞：如果眼睛能发光，那么我们就应该能看见黑暗中的物体，因为眼睛本身就是火炬。

也正是恩培多克勒提出了四大元素物质（火、水、风、土），这一观点已经被我们抛弃；他还认为没有躯体的四肢在世界各处爬行，直到随机结合形成各种动物，试图以此来解释生物多样性。

事实上，恩培多克勒在科学史上的工作就是提出一些疯狂的想法，然后由其他人证明这是错的。尽管在光线这个例子中，人们花了大约1, 300年才意识到这个错误。

直到阿拉伯学者海什木出现，人们才最终放弃了恩培多克勒的观点。海什木做了个实验，他解剖了一颗猪眼球，发现光线在眼腔内的反射与在暗室里是一样的，也就是说，光线来自周围的物体，而眼睛恰好阻挡了光线的路径。[2]

人类花了一千多年才确定眼睛没有发出奇妙的光线，这可能有些奇怪，但那是个不一样的时代，当时所有人都认为是人类赋予了物体存在的意义，因此人类看不见的东西不需要有外观。

幸运的是，海什木完成的实验超越了人类的自负心理，逐渐变得流行起来。人们认定，光来自物体本身，沿直线射进我们的眼睛—无论光是什么。接下来就到了文艺复兴时期。

可以说，勒内·笛卡尔是文艺复兴时期最有影响力的科学家、哲学家，他提出了关于光在物理学领域的另一个伟大想法。

笛卡尔注意到，点燃蜡烛时，房间的每一个角落同时被照亮，就像池塘中心的涟漪可以同时到达每一个边缘那样。他推断，光是一种类似的现象；我们周围各个方向都有一种看不见的物质，笛卡尔称之为“实空”，涟漪与波浪穿过“实空”就形成了光。[3]

唯一反对实空波理论的人是艾萨克·牛顿。牛顿的主要工作就是反对不如自己聪明的人（基本上是所有人）。

牛顿指出，如果光是通过某种介质的波，那它会在经过物体时弯曲，就像水波在绕过岩石时会弯曲一样。影子的边缘会因此变得模糊，但事实上影子的边界非常清晰，所以光是由粒子构成的想法更加合理。牛顿把这种粒子叫作“微粒”。[4]

光的微粒理论不可避免地超越了笛卡尔的实空波，这很大程度上是因为牛顿的名人身份，以及他凌驾于任何挑战他的人之上的缘故。

因此，如果牛顿听说一个叫托马斯·杨的人在他死后70年的时候做了个实验，并得出了相反的结论，他一定会大吃一惊。当然，这里指的是牛顿死后70年。托马斯·杨在那个实验之后很少再亲自做实验。

天才的涟漪先生

托马斯·杨有着18世纪最杰出的头脑。他破译了罗塞塔石碑，是第一个破译埃及象形文字的现代人，他可能因此而最为人熟知。托马斯·杨也最早注意到人眼中的色觉感受器，他写过几本医书，会14种语言，能演奏12种乐器，并发展了现代弹性理论。[5]

1803年，托马斯·杨的“双缝实验”真正奠定了光波理论（非常刻意的双关(1)）。

我们先回想一下波浪穿过池塘的情景。想象一个有规律的脉冲波在平静的**表面移动，穿过了一个有狭缝的屏障，波平稳地移动到狭缝的另一侧，然后轻微地呈扇形散开—这个过程我们称为“衍射”。

波之所以散开，是因为波边缘的能量消散在附近的水里。从上往下看，我们得到了与下图相似的图案，其中实线表示波峰，虚线表示波谷。

现在，我们试一下有两条狭缝的屏障。同样的事情还是会发生，但这一次我们看到两条波同时衍射，最终在某个点相互叠加或相互抵消。从上往下看是这样的：

在某些地方，你能看到波与波完美地叠加，一个波峰与另一个波峰相遇，在水面形成“大波峰”。在这些大波峰之间，有些地方的波是不同步的，波峰遇到了波谷，得到了不一样的效果。在这些地方，波相互抵消，水面几乎没有任何波动。

如果我们在池塘的边缘放一块屏幕，混合后的波会冲击它，大波峰和相互抵消的波会交替出现。从正面（而非从上往下）观察屏幕，波留下的图案是这样的：

这里，我们看到的是双缝衍射后波的干涉效果，它形成了高强度与低强度交替的图案，这种现象我们称为波的“叠加”。

托马斯·杨重复了这种叠加图案，只不过他使用的是光束而不是水。点亮一根蜡烛，让烛光穿过墙上的双缝，托马斯·杨最终在探测屏上得到了明暗交替的斑马条纹，类似于水波混合留下的图案。

如果像牛顿坚称的那样光是由粒子构成的，那么当它从两个狭缝射入、击打在另一侧的墙壁上时，应该会形成一团“糨糊”。而我们实际得到的斑马条纹只能用一种方法解释：光是某种形式的波。

牛顿的反驳是影子具有清晰的边界，这仍然有一定的影响力，但此时他已经死了，一些人敢于质疑他的学说。如果你非常仔细地观察影子的边界，的确会看到模糊的边缘：只是它们太小了，很容易被忽略。粒子理论解释不了这一点，但绕过物体的波可以解释。

携带这些波的物质，起初笛卡尔称之为实空，后来它有了更奇特的名字—“以太”。光的本质终于确定了。

笛卡尔的思想无疑是超前的，但直到有了实验证明他的思想才被接受。这是个有力的暗示，让你不要把笛卡尔放在马前面。我差一点要为那个笑话感到抱歉。(2)差一点。

世纪灾难

到20世纪初，再也没有人质疑光的构成了。托马斯·杨已经彻底解决了这个问题。然而，还有一些事情被忽略了，最值得注意的是光与热物体相互作用时发生了什么。要理解其中的奥秘，我们就不得不谈到软管。

想象一根软管，它的喷嘴连接在一个盒子的底部，当软管接通水的时候，盒子就会逐渐充满水。现在，假设我们在盖子上戳三个孔：一个小孔、一个中孔、一个大孔。同样，我们接通水，水还是会充满盒子，然后从顶部的孔里流出。很明显，最大的孔水流最多，而最小的孔只有很细的水流。这个装置没什么意义，只不过操作起来很简单。我们从盒子底部泵水，水从顶部的孔里流出。

物体变热时为什么会发光？上述实验是个很好的类比。物体变热时会吸收热能，吸满热能后，热能就以光的形式释放出来。

在这个类比中，软管中的水代表施加在物体上的热，而孔代表发射出来的不同类型的光：小孔代表红外线（能量太低，所以看不见），中孔代表可见光（从红色到紫色），大孔代表紫外线（能量太高，所以看不见）。

深色物体在这种热光转换中效率最高，因为它们吸收所有的热量。用物理学术语表示，理论上完美的吸热体被称为“黑体”（尽管它并不是字面上的黑色物体）。

整个过程可以用简单的瑞利-金斯定律来恰当地描述，这是个很好的近似解，尤其是在低温到中温范围。但当物体被加热到高温时，就会出现一些非常奇怪的事情。

从逻辑上讲，热物体发出的大部分光应该是紫外线，因为紫外线是能量最高的光（相当于盖子上最大的孔）。但实际上，物体发出的几乎所有光都是中等波长的。

热物体发出的光有一点点红外线和一点点紫外线，大部分是黄光或橙光，这可解释不通。就好比盒子里充满水，然后水几乎全从中孔喷出来，而不是从大孔喷出来。

事实上，相较于我们的三孔类比，真实情况甚至更令人困惑，因为真实的光并非只有三种类型，而是可以有它喜欢的任何能量。更准确的画面可能是这样的：想象一下，沿着盒子顶部切割出一条狭缝，却发现水只从狭缝中部涌出，而没有从边缘渗出。

物理学家保罗·埃伦费斯特把这个难题称为“紫外线的灾难”[6]，它后来成为物理学书籍中臭名昭著的“紫外灾难”。

此时我们面对的是理论和实验的不匹配，在科学中，我们必须改变理论。你无法决定一个实验应该产生什么结果，所以如果某种理论无法预测你实际得到的数据，那你就需要与这一理论一拍两散。

紫外灾难之所以发生，显然是因为我们对光能的运行机制有一些错误的认识。没有人会想到，稍微整理下思绪，我们就会走上量子革命的道路。尽管想出答案的那个人并没有尝试如此激进的事情，因为他只是想要一个廉价的灯泡。

直到普朗克出现

马克斯·普朗克是家里六个孩子中最小的一个。1875年他高中毕业，比他的同学早一年。普朗克申请去慕尼黑大学学习物理，但审核他申请的菲利普·冯·约利教授试图劝阻他，因为他认为物理学几乎已经走到尽头了，这会浪费普朗克的才智。[7]

约利教授很郑重地劝阻，但普朗克没有退缩，坚持自己想要学习的课程。他不在乎能否发现新大陆，因为他不关心遗留问题，他只想知道世界是怎样运转的，而且决不罢休。普朗克没有屈服。

约利教授对普朗克的固执态度印象深刻，最终决定接受他。很快，普朗克就成为欧洲物理学界最受尊敬的人物之一。据说，普朗克的讲座非常受欢迎，听他演讲的人摩肩接踵；有报道说，有的听众因为太热而晕倒，其他人却无动于衷，就为了听普朗克把话说完。

普朗克名声大噪，引起了德国标准局的注意，该局正在致力解决德国的电力路灯问题，问他是否愿意协助。电力在其他国家已经很流行了，但价格昂贵，德国想要找出最高效的方法。普朗克欣然接受了邀请，着手分析热灯泡的热与光之间的关系。[8]

这种灯泡的灯丝实际上是一个“黑体”，随着内部温度升高，表面吸收了所有能量，并以光的形式重新激发出来，大部分是可见光。然而，当灯丝继续变热时，它并没有产生瑞利-金斯定律所预测的那种光，所以普朗克决定创造一种新定律，在这个定律中，他把光能想象成一种气体。

假设气体中有一群随机飞行的粒子，当它们碰撞时，粒子的温度被重新分配，很有可能一些粒子能量较低，另一些粒子能量较高，但大多数粒子的能量集中在一个平均值—这就是我们所说的“温度”。

普朗克意识到，这种能量分布与他在灯泡实验中看到的情形相符。当我们加热一个物体时，它激发出的光集中在一个能量中值，而少量光束出现高能量和低能量。因此，普朗克提出，光束配分能量的方式，与气体粒子配分热量的方式相同。

唯一的问题是，气体热现象能够发生，是因为气体能被拆分成粒子。如果普朗克的想法可行，那么光也必须由粒子构成。

他把这些微小的光粒子称为“量子”（quanta），源自拉丁文中的“quantitas”，意思是“数量”（quantity）。普朗克不动声色地继续工作着。

需要明确的是，普朗克并没有真的宣称光由粒子构成—那太荒谬了。他只是在玩一个幼稚的数学游戏，主要是出于绝望，好让自己的结果变得更合理。由于托马斯·杨的实验，大家都知道光是一种通过以太的波，而且我们早就抛弃了牛顿的微粒学说。

在普朗克看来，光量子是一个不成熟的答案，不值得认真对待，所以很自然，当他收到一份证明光量子真实存在的研究论文时，他惊呆了，呆若木鸡。

(1)　原文是“wave for light theory”，既可以解释为“光波理论”，也可解释为“挥手告别光理论”。之所以说刻意，是因为“光波理论”的英文通常写作“wave theory of light”。—译注

(2)　英语中有句谚语：“don't put the cart before the horse”，意思是“不要把马车放在马前面”，即不要本末倒置。这里用“Descartes”（笛卡尔）代替了“the cart”。这里的“笑话”是指英语中一个关于马的笑话。一匹马走进酒吧，酒保问：“你是酒鬼吗？”马回答：“我想我不是（I don't think I am）。”然后“砰”的一声马消失了。这里暗讽笛卡尔的名言“我思，故我在（I think,therefore,I am）”。要解释这个笑话的笑点，就必须把笛卡尔放在马前面（put Descartes before the horse）。—译注