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(yè)，我對光的認(rèn)識經(jīng)歷了從膚淺到深刻的進(jìn)化。

在小時候，我認(rèn)為光只是能驅(qū)散黑暗的東西，至于這種東西長什么樣子，有什么性質(zhì)完全不懂，最后學(xué)了物理學(xué)，才明白光實在是太復(fù)雜了，學(xué)10年甚至都學(xué)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(xué)知識代表人類對宇宙最深刻的認(rèn)知。

所以本篇文章將從10個層面，循序漸進(jìn)升級你對光的認(rèn)識。最后抵達(dá)最前沿物理學(xué)對光的認(rèn)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(yīng)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(zhì)表面的粗糙程度，而并不是光本身。

但是仔細(xì)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(chǎn)物。至于光本身是什么樣子，我們可能永遠(yuǎn)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(rèn)識。

第二層：光是虛幻的，是人的意識對物自體世界的映射

嚴(yán)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(zhì)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(fā)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(dá)到人的意識就在大腦中呈現(xiàn)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(xiàn)。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(xué)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(zhì)

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

在普通人對物質(zhì)形態(tài)的認(rèn)知中，就只有固態(tài)，液態(tài)和氣體。首先可以肯定，我們看見的東西都是穩(wěn)定的，這就證明光也是十分穩(wěn)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(tài)的嗎？

如果我們假設(shè)光是固態(tài)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(tài)，我們一般會將其假設(shè)成微粒，所以我們就認(rèn)為光是一種極其小的微粒，這也就是牛頓的光微粒學(xué)說。其實還有兩個現(xiàn)象，能佐證光是固態(tài)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(tài)微粒，就不會發(fā)生鏡面反射，也不會沿直線傳播。

可一旦假設(shè)光是固態(tài)微粒，就又存在三個無法解釋的現(xiàn)象，分別是光的衍射，干涉和偏振。

所以對光線的第四層認(rèn)識就是：光是波

牛頓并不認(rèn)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(xiàn)象，牛頓認(rèn)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(yīng)，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(xué)家就反對光微粒學(xué)說，堅持認(rèn)為光是一種波，并認(rèn)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(zhì)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(zhì)中進(jìn)行，因為聲波的本質(zhì)就是構(gòu)成物質(zhì)的微粒振動的傳遞過程。

那光波的傳播介質(zhì)是什么呢？

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

但是問題很快就出現(xiàn)了，既然光波是在以太中傳遞的，那以太又是什么？物理學(xué)家曾經(jīng)假設(shè)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(rèn)定光波需要以太，那么光速就是不恒定的。

所以在第四層認(rèn)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(xiàn)了，19世紀(jì)60年代，麥克斯韋提出來了麥克斯韋方程組，并且認(rèn)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(shù)都是無方向的標(biāo)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(shè)以太無處不在，且絕對靜止，并且光波在以太中傳播。

再假設(shè)太陽靜止在以太參考系中，由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，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(shù)值是不同的，測量到的光速應(yīng)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(jié)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(jìn)而否定了以太。

所以此時的人們認(rèn)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(zhì)，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(xiàn)了，光的波動性，又無法解釋一個新的現(xiàn)象，那就是，光電效應(yīng)。

第六層：光是光量子，且具有波粒二象性

1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)，用紫外線照射到金屬電極上，會產(chǎn)生電火花。當(dāng)時的物理學(xué)家認(rèn)為，這是因為光的能量被金屬表面的物質(zhì)吸收后，產(chǎn)生的火花現(xiàn)象。

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

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光照射金屬表面是否產(chǎn)生電火花只和光的頻率有關(guān)，和光照強度沒有任何關(guān)系。且只有光的頻率達(dá)到一定的閾值，才能產(chǎn)生電火花。而光的頻率沒有達(dá)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(chǎn)生電火花。這個問題也困擾了物理學(xué)家很長時間。如果要解釋這個問題，就必須假設(shè)光就是一種粒子。

因為如果光只是波的話，既然已經(jīng)增加波的強度，那沒有理由不產(chǎn)生電火花？而如果光是一種粒子的話，就可以認(rèn)為單個粒子的能量只和頻率有關(guān)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(dá)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(shè)，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(xiàn)象，光也具有波動性。

所以這個時候的物理學(xué)家就認(rèn)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(chǔ)

在20世紀(jì)初，物理學(xué)家不僅認(rèn)為光具有波粒二象性，而且公認(rèn)光速是不變的。

對于觀測者來說，光是在時間和空間上進(jìn)行的，光速等于光經(jīng)過的空間長度除以時間。既然光速是永恒不變的，一旦光經(jīng)過了空間長度改變，那只能導(dǎo)致時間也發(fā)生相應(yīng)改變，才能維持光速不變的事實。所以光速不變，對應(yīng)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(yīng)。

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(xué)家在20世紀(jì)初雖然已經(jīng)知道了光速不變和時間膨脹效應(yīng)。但是對光的本質(zhì)的認(rèn)知還停留在初級階段。直到量子力學(xué)發(fā)展出了粒子物理學(xué)。我們才將光子納入到基本粒子中，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們已經(jīng)找到了構(gòu)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(gòu)成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本粒子，比如，夸克和電子。而玻色子是負(fù)責(zé)傳遞物質(zhì)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(rèn)知。量子力學(xué)經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，從最初的舊量子論到量子電動力學(xué)，量子色動力學(xué)，再到量子場論。如今，最為先進(jìn)的“量子理論”就是量子場論，基于量子場論，物理學(xué)家建立起了標(biāo)準(zhǔn)模型。在量子場論的預(yù)設(shè)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(zhì)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(zhì)就是一種可以延伸到宇宙每一個角落的物質(zhì)狀態(tài)。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(dǎo)致光子可以同時處于多個位置。

所以光的本質(zhì)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(jīng)說了，光只有運動質(zhì)量，沒有靜止質(zhì)量，或者說它的靜止質(zhì)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(shè)認(rèn)為光的靜止質(zhì)量為零，那么在狹義相對論中，靜止質(zhì)量為零的物質(zhì)，那么它就沒有時間。所以對于光本身來說，它沒有經(jīng)歷任何時間，即便是宇宙大爆炸之初產(chǎn)生的光，經(jīng)過了138億年的飛行抵達(dá)了地球，那么對它來說，誕生即毀滅。

在這138億年的時間內(nèi)，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。