爭論了2000多年，光的本質到底是什么？現在終于有了真正的答案！

光到底是什么，這個問題困擾我好多年，從孩童時期到成家立業，我對光的認識經歷了從膚淺到深刻的進化。

在小時候，我認為光只是能驅散黑暗的東西，至于這種東西長什么樣子，有什么性質完全不懂，最后學了物理學，才明白光實在是太復雜了，學10年甚至都學不完。光簡直就是宇宙基本法則的度量衡，光所蘊含的物理學知識代表人類對宇宙最深刻的認知。

所以本篇文章將從10個層面，循序漸進升級你對光的認識。最后抵達最前沿物理學對光的認識。

第一層：普通人對光的理解

對于普通人來說，光是一種看得見，好像又摸不著，卻能感知到的事物。我們能看見光，是因為沒有光的地方對應的就是黑暗，能感知到光，是因為有光的地方也就有溫度，但好像我們又摸不著光，因為我們伸手感知到的就是空氣的流動，物質表面的粗糙程度，而并不是光本身。

但是仔細一想，這里面又存在好幾個問題，第一個問題是 你能看見的光到底是什么，你真的看見光了嗎？你看見只是各種各樣的物體，比如花草樹木，高樓大廈，而光到底是什么，你又真正看見了嗎？你看到的光也只是光的波長在意識里面的映射的產物。至于光本身是什么樣子，我們可能永遠無法得知。

所以對這個問題的回答，就延伸出對光的第二層認識。

第二層：光是虛幻的，是人的意識對物自體世界的映射

嚴格來說，我們看不見光本身的樣子，甚至我們看不到任何物質真實的樣子。比如說，我看見了一個桌子，那只不過是桌子表面核外電子受激輻射發射出來的光子，而人的眼睛只是識別到光子的波長，這種波長抵達到人的意識就在大腦中呈現出桌子的樣子。至于桌子本來是什么樣子，我們完全不知道，因為意識只是對波長的一種抽象呈現。所以光本來是什么樣子，以及所有的物體本來是什么樣子，我們無從得知，我們感知到物體的所謂樣子，全都是通過人的五個感官映射出的抽象感知。

物體本來的樣子，也叫自在之物，這也就是德國古典哲學家 康德所說的物自身(物自體)概念。所以光也是連接意識和物自身的重要橋梁！

第三層：光是物質

如果我說，我們看見的所有東西都是物體反射或者發射出來的光，那我們就得假設光本身就是一種物質，那既然光是物質，它就肯定有一種形態，那光到底長什么樣子的？

在普通人對物質形態的認知中，就只有固態，液態和氣體。首先可以肯定，我們看見的東西都是穩定的，這就證明光也是十分穩定的，而液體和氣體是流動的，所以光不可能是氣體和液體，那光是固態的嗎？

如果我們假設光是固態的，那它就必須十分小，不然肉眼就能直接看見光是什么形狀的。而十分小的固態，我們一般會將其假設成微粒，所以我們就認為光是一種極其小的微粒，這也就是牛頓的光微粒學說。其實還有兩個現象，能佐證光是固態微粒。第一個就是光的反射定律，第二個是光沿直線傳播。如果光不是固態微粒，就不會發生鏡面反射，也不會沿直線傳播。

可一旦假設光是固態微粒，就又存在三個無法解釋的現象，分別是光的衍射，干涉和偏振。

所以對光線的第四層認識就是：光是波

牛頓并不認可光是波，反對的主要一個理由是，光如果是波的話，就會繞開障礙物，而光卻是直線傳播的，不會繞過障礙物。對于光的衍射現象，牛頓認為，光微粒是在以太中傳播的，光在以太中的移動會造成一個局域波，所以光的衍射是以太造成的。

雖然牛頓能暫時用以太波動解釋光的衍射效應，但卻很難解釋光的干涉和偏振性。所以，胡克，惠更斯，托馬斯?楊等物理學家就反對光微粒學說，堅持認為光是一種波，并認為光波類似于聲波，所以光就是一種機械波。

既然光是一種機械波，那么光就必須在介質中才能傳播，聲波是典型的機械波，聲波之所以能傳遞，必須在物質中進行，因為聲波的本質就是構成物質的微粒振動的傳遞過程。

那光波的傳播介質是什么呢？

首先，光能從非常遙遠的星球抵達地球，這就證明，光在宇宙真空中也能傳遞，所以光波的介質在宇宙中是普遍存在的。科學家就設想，這種物質可能就是亞里士多德在2000多年前提出的以太。所以就設定光波必須在以太中傳播。

但是問題很快就出現了，既然光波是在以太中傳遞的，那以太又是什么？物理學家曾經假設以太是一種整體靜止的參考系。

如果以太移動的話，那么光速也就會在以太中改變。這就好像一個人在行駛中的列車中運動，那么這個人的相對于地面速度就是他運動的速度，加上車的速度。

所以如果認定光波需要以太，那么光速就是不恒定的。

所以在第四層認知中，光就是一種波，這種波需要借助以太才能傳播，并且光速會隨著以太的改變而改變。

第五層：光是電磁波，不需要以太

如果光需要以太，新的問題就又出現了，19世紀60年代，麥克斯韋提出來了麥克斯韋方程組，并且認為光就是一種電磁波，貌似不需要絕對靜止的以太參考系，因為麥克斯韋方程組里面有兩個參數都是無方向的標量，所以，光速在任何參考系中都是不變的。

但是麥克斯韋本人也沒有徹底否定以太，所以接下來就是驗證以太是否存在。

我們假設以太無處不在，且絕對靜止，并且光波在以太中傳播。

再假設太陽靜止在以太參考系中，由于地球繞太陽公轉，那地球相對于以太就有一個速度v，在地球上測量光速的話，在不同方向上測量的光速數值是不同的，測量到的光速應該是光速相對于以太的速度加減地球相對于以太的速度。

這個實驗就是著名的邁克爾遜-莫雷實驗，最后實驗的結果顯示，光速在任何方向上都是相同的。反而證明了光速不變原理，進而否定了以太。

所以此時的人們認為光不同于聲波，它不是機械波，而是一種電磁波，并且不需要傳播介質，它的速度是固定的，不會因為觀察者的改變而改變。這時候光的波動說升級成了電磁波，光是波的觀念，徹底壓制了光是微粒的觀念。但很快問題又出現了，光的波動性，又無法解釋一個新的現象，那就是，光電效應。

第六層：光是光量子，且具有波粒二象性

1887年，赫茲發現，用紫外線照射到金屬電極上，會產生電火花。當時的物理學家認為，這是因為光的能量被金屬表面的物質吸收后，產生的火花現象。

如果按照這種思路的話，那么只要加大光照的強度，產生火花的強度也就會線性增大。但事實并非如此。

物理學家發現光照射金屬表面是否產生電火花只和光的頻率有關，和光照強度沒有任何關系。且只有光的頻率達到一定的閾值，才能產生電火花。而光的頻率沒有達到這個閾值，即便增加光的照射強度，也就是光子的密度，也無法產生電火花。這個問題也困擾了物理學家很長時間。如果要解釋這個問題，就必須假設光就是一種粒子。

因為如果光只是波的話，既然已經增加波的強度，那沒有理由不產生電火花？而如果光是一種粒子的話，就可以認為單個粒子的能量只和頻率有關系，頻率越大，這個粒子的能量就越大。撞擊到金屬表面上的電子，它吸收光子的能量后，達到逃逸的門檻，金屬表面的電子就會被撞出來。

所以在1905年，愛因斯坦就假設，光是一種具有離散性的波包，這里面的離散性指的是光子的能量是不可以再分的，是一種基本的能量單位。這個波包就是光量子，也就是光子，所以這就證明光起碼具有粒子性。

但同時考慮到光的干涉現象，光也具有波動性。

所以這個時候的物理學家就認為光既是粒子，也是一種波，這就是光的波粒二象性。

第七層，光速是不變的，光速是相對論建立的基礎

在20世紀初，物理學家不僅認為光具有波粒二象性，而且公認光速是不變的。

對于觀測者來說，光是在時間和空間上進行的，光速等于光經過的空間長度除以時間。既然光速是永恒不變的，一旦光經過了空間長度改變，那只能導致時間也發生相應改變，才能維持光速不變的事實。所以光速不變，對應的就是時空改變。這樣一來，絕對時空觀就變成了相對時空觀。所以才有了狹義相對論中，速度越快，時間越慢的時間膨脹效應。

第八層，光是基本粒子，且是電磁力的傳播子

在第七層的理解中，科學家在20世紀初雖然已經知道了光速不變和時間膨脹效應。但是對光的本質的認知還停留在初級階段。直到量子力學發展出了粒子物理學。我們才將光子納入到基本粒子中，在標準模型中，我們已經找到了構成世界的61種基本粒子，而基本粒子又分為費米子和玻色子。

費米子是構成物質結構的基本粒子，比如，夸克和電子。而玻色子是負責傳遞物質之間相互作用的基本粒子，比如膠子，光子和WZ玻色子。光子是負責傳遞電磁力的傳播子。光子在兩個粒子之間，以光速交換才維持了電磁力的正常運作。

第9層，光是量子場

在第8層的理解中，光子負責傳遞電磁力。但是光子本身是什么樣子的？我們依舊沒有深刻的認知。量子力學經過了半個多世紀的發展，從最初的舊量子論到量子電動力學，量子色動力學，再到量子場論。如今，最為先進的“量子理論”就是量子場論，基于量子場論，物理學家建立起了標準模型。在量子場論的預設中，每一種基本粒子都是一種場。

比如電子就是電子場，光子就是光子場，夸克就是夸克場。量子場是一種很抽象的概念，這種場在理論上可以延伸到宇宙各個角落。所以光的本質就是光子場，光子場可以延伸到宇宙的各個角落。所以光的本質就是一種可以延伸到宇宙每一個角落的物質狀態。光子場本身是一種模糊，沒有邊界的存在。由于光子場的這種特性，導致光子可以同時處于多個位置。

所以光的本質就是一種具有不確定性原理和量子疊加特性的量子場。

第10層：光沒有時間

在前面，我們已經說了，光只有運動質量，沒有靜止質量，或者說它的靜止質量為零。因為光只能以光速運動，不可能靜止下來。

而我們在計算時，可以假設認為光的靜止質量為零，那么在狹義相對論中，靜止質量為零的物質，那么它就沒有時間。所以對于光本身來說，它沒有經歷任何時間，即便是宇宙大爆炸之初產生的光，經過了138億年的飛行抵達了地球，那么對它來說，誕生即毀滅。

在這138億年的時間內，對于觀測者來說是漫長的，而對于光子本身來說，這個時間為零。如果光子具有意識，那么還沒有等它的意識有足夠的時間去思考宇宙的意義，宇宙就從誕生變成了毀滅。所以在光子的角度看來，宇宙本身就是一種誕生與毀滅的混合體。