历史上关于光的本性的争论一直没有停歇。最早是惠更斯(1629年-1695年)提出光的波动理论。随后牛顿(1643年-1727年)主张光是粒子,然后菲涅耳(1788年-1827年)和杨(托马斯·杨,1773年-1829年)说光还应该是波。由于杨氏干涉、菲涅耳衍射实验中光的波性太明显了,光的波动说很快压过牛顿的粒子说。随后麦克斯韦(1831年-1879年)指出光是电磁波。至此此争论似乎盖棺论定了。谁知,等到爱因斯坦(1879年-1955年)出场,又说光应该是粒子,否则解释不了光电效应实验。公说公有理,婆说婆有理。都有道理。怎么办呢?物理学家采用了折中的办法,提出光的波粒二象性理论。
德布罗意(1892年-1987年)在1924年指出,波粒二象性不只是光子,而是所有微观粒子的基本属性。德布罗意的理论现在已经得到普遍承认。
但是,至此并不意味着对光的理解已经全面。比如,有人认为光不是物质。
光是不是物质,取决于物质的定义。百度百科中说,物质为构成宇宙间一切物体的实物和场。世界上所有的实体都是物质。除这些实物之外,光、电磁场等也是物质,它们是以场的形式出现的物质。
从光电效应可知,光子与电子一样,具有动量、能量,并不具备特殊性。所以,既然电子是常规意义上的物质,光子也是。比如正电子和负电子发生湮灭变成光子,即,正电子+负电子=光子,这是一个方程,按照我们对方程的理解,方程两边应是同样的东西,量纲相同等等。左边电子什么的肯定是物质,右边光子当然也是物质。
为什么会有人认为光不是物质呢?当然是光比较特殊。比如,物理学一般讨论光与物质的相互作用时总是把光从物质中独立出去的。第二,光子的速度达到了每秒30万公里,而且还不会衰减。光子的速度这么快,到底是从哪里获得的能量呢?第三,光子不具备质量,所以不属于我们常识中的物质。
如果光不是物质,那么光还能是啥呢?一种可能是能量。如果我们认为光子是能量子,光子就是能量,或者说光子是能量的传输方式,则光的能量来源问题似乎可解。回想起当初,量子物理的奠基人普朗克也只是认为光由一个个能量子构成。
关于能量,人类的理解还不够深刻。我们知道,能量是以物质为载体而存在着的。粒子和场都是能量的载体。关于能量与物质之间的比较明显的关系是爱因斯坦的质能方程。这个方程告诉我们物质(M)、能量(E)和光(C)构成一个三角关系。所以,光可能不是物质,也不是能量,而是二者之间转化的媒介或中间态?
中科院物理所曹则贤研究员在科学公开课《物质的形态》(2022年2月10日)上讲了光的一些知识。他说,相对论、量子力学的主要内容都是为了理解光,可见这个问题的重要性;对于光是不是物质这个问题的回答还不确定;虽然物理学家一般讨论光与物质的相互作用时是把光从物质中独立出去的,但显然讨论物质离不开光。
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