光是如何在宇宙空間旅行的？

自從德謨克利特 - 一位生活在公元前5世紀(jì)和4世紀(jì)之間的希臘哲學(xué)家 - 認(rèn)為所有的存在都是由微小的不可分割的原子構(gòu)成以來，科學(xué)家一直在猜測光的本質(zhì)。雖然科學(xué)家們在光線是粒子或波浪直到現(xiàn)代之間來回徘徊，但20世紀(jì)導(dǎo)致了突破，表明它表現(xiàn)得像兩者一樣。這些包括電子的發(fā)現(xiàn)，量子理論的發(fā)展和愛因斯坦的相對論。然而，當(dāng)談到光明時(shí)，仍有許多令人著迷和未解決的問題，其中許多都源于其雙重性質(zhì)。例如，光如何在沒有質(zhì)量的情況下顯然是如此，但仍然表現(xiàn)為粒子？當(dāng)所有其他波需要介質(zhì)傳播時(shí)，它如何表現(xiàn)為波浪并通過真空？

光到19世紀(jì)的理論：

在科學(xué)革命期間，科學(xué)家開始擺脫亞里士多德的科學(xué)理論，這些理論被認(rèn)為是幾個(gè)世紀(jì)以來被接受的經(jīng)典。這包括拒絕亞里士多德的光學(xué)理論，認(rèn)為它是空氣中的擾動(dòng)（他構(gòu)成物質(zhì)的四個(gè)“元素”之一），并且包含了光由不可分割原子組成的更機(jī)械觀點(diǎn)。在許多方面，這一理論已經(jīng)被古典古代的原子論者所預(yù)示 - 例如德謨克利特和盧克萊修斯 - 他們都將光視為太陽發(fā)出的物質(zhì)單位。到了17世紀(jì)，出現(xiàn)了幾位接受這種觀點(diǎn)的科學(xué)家，他們指出光是由離散的粒子（或“小體”）組成的。這包括皮埃爾·伽桑狄，當(dāng)代笛卡爾，霍布斯，波義耳，而最有名的，艾薩克·牛頓爵士。

牛頓的微粒理論是對他作為物質(zhì)點(diǎn)通過力量的相互作用的現(xiàn)實(shí)觀的闡述。100多年來，這一理論仍然是公認(rèn)的科學(xué)觀點(diǎn)，其原理在1704年的論文“Opticks，或者反思，折射，變形和光的顏色”中得到了解釋。根據(jù)牛頓的說法，光的原理可歸納如下：

每個(gè)光源都會(huì)在源周圍的介質(zhì)中發(fā)出大量微小粒子，稱為微粒。

這些小體完全彈性，剛性和失重。

這代表了對17世紀(jì)荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安惠更斯所倡導(dǎo)的“波浪理論”的挑戰(zhàn)。。這些理論于1678年首次傳播到巴黎科學(xué)院，并于1690年在他的“Traitédelalumière”（“光之論”）上發(fā)表。在其中，他論述了笛卡爾視圖的修訂版本，其中光速是無限的，并且通過沿波前發(fā)射的球面波傳播。

雙縫實(shí)驗(yàn)：

到19世紀(jì)初，科學(xué)家開始打破微粒理論。部分原因在于，微粒理論未能充分解釋光的衍射，干涉和偏振，但也因?yàn)楦鞣N實(shí)驗(yàn)似乎證實(shí)了光仍表現(xiàn)為波浪的競爭觀點(diǎn)。

其中最著名的可以說是雙縫實(shí)驗(yàn)，最初是由英國博學(xué)家托馬斯·楊于1801年進(jìn)行的（盡管艾薩克·牛頓先生被認(rèn)為在他自己的時(shí)代做過類似的事情）。在Young的實(shí)驗(yàn)版本中，他使用了一張帶有切口的紙條，然后用光源指向它們以測量光線是如何通過它的。根據(jù)經(jīng)典（即牛頓）粒子理論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該與狹縫相對應(yīng)，對屏幕的影響出現(xiàn)在兩條垂直線上。相反，結(jié)果顯示相干光束干擾，在屏幕上產(chǎn)生明亮和暗帶的圖案。這與經(jīng)典粒子理論相矛盾，其中粒子不會(huì)相互干擾，而只是相互碰撞。

對這種干涉模式唯一可能的解釋是光束實(shí)際上表現(xiàn)為波。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)消除了這樣一種觀念，即光由微粒組成，并且在接受光波理論中起到了至關(guān)重要的作用。然而，隨后的研究，涉及電子和電磁輻射的發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致科學(xué)家再次考慮光也表現(xiàn)為粒子，從而產(chǎn)生波粒二象性理論。

電磁學(xué)與狹義相對論：

在19世紀(jì)和20世紀(jì)之前，光速已經(jīng)確定。第一次記錄的測量是由丹麥天文學(xué)家OleR?mer進(jìn)行的，他在1676年使用木星月亮Io的光測量結(jié)果證明了光以有限的速度（而不是瞬間）傳播。

到19世紀(jì)末，James Clerk Maxwell提出光是電磁波，并設(shè)計(jì)了幾個(gè)方程（稱為麥克斯韋方程）來描述電場和磁場是如何彼此產(chǎn)生和改變的，以及電荷和電流的變化。通過測量不同類型的輻射（磁場，紫外線和紅外線輻射），他能夠計(jì)算出真空中的光速（用c表示）。

1905年，阿爾伯特愛因斯坦出版了“關(guān)于移動(dòng)身體的電動(dòng)力學(xué)”，其中他提出了他最著名的理論之一，并推翻了幾個(gè)世紀(jì)以來被接受的觀念和正統(tǒng)觀念。在他的論文中，他假定所有慣性參考系中的光速都是相同的，無論光源的運(yùn)動(dòng)或觀察者的位置如何。探索這一理論的后果使他提出了他的狹義相對論，它將麥克斯韋的電和磁方程與力學(xué)定律相協(xié)調(diào)，簡化了數(shù)學(xué)計(jì)算，并符合直接觀察到的光速，并將其解釋為觀察到的像差。它還表明光的速度在光和電磁的范圍之外具有相關(guān)性。

首先，它引入了這樣的想法：當(dāng)物體移動(dòng)接近光速時(shí)發(fā)生重大變化，包括在觀察者的框架中測量時(shí)，移動(dòng)體的時(shí)空框架看起來在運(yùn)動(dòng)方向上減速和收縮。經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的精確測量，1975年光速確定為299,792,458 m / s。

愛因斯坦和光子：

1905年，當(dāng)愛因斯坦提出電子從光吸收能量時(shí)從原子發(fā)射時(shí)，他們也幫助解決了圍繞電磁輻射行為的大量混亂。被稱為光電效應(yīng)的愛因斯坦將他的想法建立在普朗克早期的“黑體”工作上 - 這些材料吸收電磁能而不是反射它（即白體）。

當(dāng)時(shí)，愛因斯坦的光電效應(yīng)試圖解釋“黑體問題”，其中黑體由于物體的熱量而發(fā)射電磁輻射。這是物理世界中一個(gè)長期存在的問題，這一問題源于電子的發(fā)現(xiàn)，這種電子僅發(fā)生在八年前（感謝由JJ湯普森領(lǐng)導(dǎo)的英國物理學(xué)家和使用陰極射線管的實(shí)驗(yàn)）。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家仍然認(rèn)為電磁能表現(xiàn)為波，因此希望能夠用經(jīng)典物理學(xué)來解釋它。愛因斯坦的解釋代表了對此的突破，斷言電磁輻射表現(xiàn)的方式與粒子一致 - 一種量子化的光，他稱之為“光子”。對于這一發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦于1921年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

波粒二象性：

關(guān)于光行為的后續(xù)理論將進(jìn)一步完善這一理念，其中包括法國物理學(xué)家Louis-Victor de Broglie計(jì)算光的功能波長。接下來是海森堡的“不確定性原理”（其中指出準(zhǔn)確地測量光子的位置會(huì)干擾其動(dòng)量的測量，反之亦然），而薛定諤的悖論聲稱所有粒子都具有“波函數(shù)”。

根據(jù)量子力學(xué)解釋，薛定諤提出所有關(guān)于粒子的信息（在這種情況下，光子）都是在其波函數(shù)中編碼的，這是一種復(fù)數(shù)值函數(shù)，大致類似于空間中每個(gè)點(diǎn)的波幅。在某些位置，波函數(shù)的測量將隨機(jī)地“崩潰”，或者更確切地說“消失”，達(dá)到尖銳的峰值函數(shù)。這在薛定諤著名的悖論中得到了說明，該悖論涉及一個(gè)封閉的盒子，一只貓和一小瓶毒藥（被稱為“薛定諤貓”悖論）。

根據(jù)他的理論，波函數(shù)也根據(jù)微分方程（又稱薛定諤方程）演化。對于具有質(zhì)量的粒子，該等式具有解;但對于沒有質(zhì)量的顆粒，沒有解決方案。涉及雙縫實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光子的雙重性質(zhì)。其中包含測量裝置以觀察光子穿過狹縫時(shí)的情況。當(dāng)這樣做時(shí)，光子以粒子的形式出現(xiàn)，它們對屏幕的影響對應(yīng)于狹縫 - 微小的粒子大小的斑點(diǎn)分布在直的垂直線上。通過將觀察裝置放置到位，光子的波函數(shù)坍塌并且光再次表現(xiàn)為經(jīng)典粒子。正如薛定諤所預(yù)測的那樣，這只能通過聲稱光具有波函數(shù)來解決，并且觀察它會(huì)導(dǎo)致行為可能性的范圍崩潰到其行為變得可預(yù)測的程度。

量子場論（QFT）的發(fā)展是在接下來的幾十年中設(shè)計(jì)的，以解決圍繞波粒二象性的大部分模糊性。并且隨著時(shí)間的推移，這一理論被證明適用于其他粒子和相互作用的基本力量（如弱核和強(qiáng)核力）。今天，光子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分，它們被歸類為玻色子 - 一類亞力子粒子，它們是力載體并且沒有質(zhì)量。

那光怎么走？基本上，以不可思議的速度（299 792 458 m / s）和不同波長行進(jìn)，取決于其能量。它還表現(xiàn)為波浪和粒子，能夠通過介質(zhì)（如空氣和水）以及空間傳播。它沒有質(zhì)量，但如果與介質(zhì)接觸，仍然可以被吸收，反射或折射。最后，唯一可以真正轉(zhuǎn)移它或阻止它的是重力（即黑洞）。我們在光學(xué)和電磁學(xué)方面所學(xué)到的知識(shí)一直是20世紀(jì)初物理學(xué)革命所固有的，這場革命從那時(shí)起就一直在努力解決。感謝麥克斯韋，普朗克，愛因斯坦，海森堡和薛定諤等科學(xué)家的努力，我們學(xué)到了很多東西，但還有很多需要學(xué)習(xí)的地方。

例如，它與引力的相互作用（以及弱和強(qiáng)大的核力量）仍然是一個(gè)謎。釋放這一點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)萬物理論（ToE）是天文學(xué)家和物理學(xué)家所期待的。總有一天，我們會(huì)明白它！