1 光是粒子還是波?

光是什么? 這似乎是一個(gè)很簡(jiǎn)單的問(wèn)題,然而它卻開(kāi)啟了人類(lèi)的智慧和視野. 我們相信,對(duì)于光是什么這個(gè)問(wèn)題,很多人都會(huì)回答:光是太陽(yáng)發(fā)出的東西. 但這并沒(méi)回答我們真正想要問(wèn)的問(wèn)題. 我們真正想要了解的是光本身究竟是什么?

三位歷史上曾經(jīng)對(duì)光的理解做出巨大貢獻(xiàn)的物理學(xué)家(見(jiàn)圖1). 在較早期時(shí)代,大科學(xué)家牛頓認(rèn)為光是一束顆粒. 為什么會(huì)這樣說(shuō)? 因?yàn)楣庖灾本€(xiàn)行走,而且我們可以將光束分成很多部分. 你可以阻擋部分的光,而剩余的部分會(huì)穿透. 另一些科學(xué)家,如胡克(Hooke),惠更斯(Huygens)則認(rèn)為光是波,而非顆粒. 光是波這種說(shuō)法有點(diǎn)兒奇怪,似乎采用了一個(gè)不太自然的角度來(lái)看光. 很顯然,微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)是兩種很不相同的理論,哪一個(gè)才是正確的呢? 也就是說(shuō),哪一個(gè)理論能夠圓滿(mǎn)解釋光的現(xiàn)象?

圖1 三位歷史上曾經(jīng)對(duì)光的理解做出巨大貢獻(xiàn)的物理學(xué)家

折射(refraction)是光的基本現(xiàn)象. 當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)一個(gè)媒介時(shí),例如玻璃,光線(xiàn)前進(jìn)的方向會(huì)彎曲,更垂直玻璃的表面(見(jiàn)圖2). 我們?nèi)绾谓忉尮獾恼凵洮F(xiàn)象呢? 根據(jù)牛頓的粒子理論,當(dāng)光線(xiàn)照射到界面(interface)上時(shí),光的粒子會(huì)感受到有一股力將它們拉向媒介內(nèi). 這些粒子前進(jìn)的方向便會(huì)改變,因而造成光的折曲. 當(dāng)光線(xiàn)離開(kāi)玻璃時(shí),粒子會(huì)感受到相反的力. 所以,光線(xiàn)會(huì)折向另一面,這就是微粒理論(corpuscular theory)對(duì)折射的解釋(見(jiàn)圖3左圖). 但按照胡克和惠更斯的波動(dòng)理論(wave theory),光就是波. 當(dāng)波照射在界面上時(shí),波會(huì)在媒體內(nèi)減慢速度,使波前(wave front)速度減慢,以致光線(xiàn)彎曲,這就是波動(dòng)理論對(duì)折射現(xiàn)象的解釋(見(jiàn)圖3右圖).請(qǐng)注意,這兩種理論好像有很不同的結(jié)論. 在粒子理論中,光在媒介里的速度比較快;但在波動(dòng)理論中,光在媒介里的速度卻比較慢. 由此可見(jiàn),這兩個(gè)理論會(huì)有很不同的結(jié)果和預(yù)測(cè). 究竟哪一個(gè)才是對(duì)的呢? 在科學(xué)界,我們會(huì)利用實(shí)驗(yàn)來(lái)作判斷. 你可以提出不同的理論,得到不同的結(jié)論,但這些都必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在媒介內(nèi)光的速度會(huì)比較慢. 這告訴我們波動(dòng)理論勝出. 雖然用波動(dòng)理論來(lái)看光不是一件很自然的事,但這個(gè)理論卻反映了真實(shí)的光,即光就是波.

圖2 光從玻璃片經(jīng)過(guò)時(shí)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)圖景

圖3 光折射現(xiàn)象的微粒理論和波動(dòng)理論的解釋示意圖

波動(dòng)理論除了能夠解釋光在媒介內(nèi)會(huì)減慢速度外,還有更加奇妙的預(yù)測(cè). 當(dāng)光是波時(shí),光就會(huì)有一種現(xiàn)象,稱(chēng)為干涉(interference)現(xiàn)象. 當(dāng)你將兩個(gè)波并排疊加時(shí),即波峰(peak)對(duì)著波峰、波谷(trough)對(duì)著波谷,便會(huì)形成一個(gè)較強(qiáng)的波(見(jiàn)圖4(a)). 但如果你將兩波調(diào)校至波峰對(duì)著波谷而波谷對(duì)著波峰時(shí),把兩波合起來(lái)便會(huì)互相抵消,什么都沒(méi)有了(見(jiàn)圖4(b)). 這就是波的一個(gè)非常特別的性質(zhì). 在光的粒子理論里,就沒(méi)有這個(gè)現(xiàn)象.

圖4 光干涉現(xiàn)象的示意圖

在光的粒子理論中,當(dāng)我們將兩部分粒子放在一起時(shí),光的強(qiáng)度會(huì)增加;但在光的波動(dòng)理論中,當(dāng)我們將兩個(gè)波同樣地放在一起,光的強(qiáng)度可能會(huì)增加或減少,這取決于它們?nèi)绾闻帕? 如果光的強(qiáng)度增加,這便稱(chēng)為相長(zhǎng)干涉(constructive interference);相反,如果光的強(qiáng)度減少,這便稱(chēng)為相消干涉(destructive interference)(見(jiàn)圖5).

圖5 光的相長(zhǎng)干涉和相消干涉示意圖

人們可以通過(guò)以下牛頓環(huán)(Newton's ring)這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀(guān)察光的干涉現(xiàn)象. 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里,我們會(huì)把凸玻璃置于另一塊平面玻璃上,這樣它們之間就有細(xì)少的空氣層(見(jiàn)圖6). 當(dāng)光線(xiàn)照射時(shí),光線(xiàn)會(huì)分別被玻璃面和鏡面反射. 如果兩條光線(xiàn)能夠波峰對(duì)著波峰,波谷對(duì)著波谷排列的話(huà),相長(zhǎng)干涉便會(huì)發(fā)生. 但如果光線(xiàn)照射到另一處位置時(shí),波谷對(duì)著波峰,則會(huì)發(fā)生相消干涉. 在凸玻璃和鏡的中央,凸玻璃的底面和鏡的上面互相緊貼著,這時(shí)光線(xiàn)是同相(in-phase)的. 當(dāng)光線(xiàn)遠(yuǎn)離中央時(shí),空氣層就會(huì)越來(lái)越大. 最終,反射光線(xiàn)會(huì)發(fā)生相消干涉(見(jiàn)圖7). 這就解釋了為何會(huì)首先看見(jiàn)暗帶. 當(dāng)距離越來(lái)越大時(shí),兩波會(huì)再次排列,你就會(huì)看到亮帶,如此類(lèi)推. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓我們看到了光就是波的實(shí)驗(yàn)證據(jù).

圖6 觀(guān)察牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 用綠色光拍到的牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)圖景

以上實(shí)驗(yàn)采用的是綠色光,但假如你改用白色光,你仍然可以看見(jiàn)環(huán)帶,而且還有顏色(見(jiàn)圖8). 當(dāng)你仔細(xì)地看亮環(huán)的外緣時(shí),你會(huì)發(fā)現(xiàn),顏色是紅色和黃色,為何會(huì)是這樣呢? 這原因就是白光中擁有所有顏色的光. 對(duì)于某些顏色的光,第一個(gè)暗環(huán)會(huì)較為靠近中央. 但對(duì)于另一些顏色的光,環(huán)帶會(huì)較遠(yuǎn)離中央. 對(duì)于藍(lán)光而言,相消干涉首先發(fā)生,藍(lán)光暗環(huán)較為靠近中央. 這時(shí),我們看不見(jiàn)藍(lán)光,我們所能看見(jiàn)的就是紅光和黃光. 所以,中央亮斑外緣是紅色和黃色. 紅光和黃光接著發(fā)生相消干涉,而形成暗環(huán). 所以,亮環(huán)的外緣是紅色和黃色.

圖8 用白光拍到的牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)圖景

這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅解釋了光的干涉和折射現(xiàn)象,更讓我們理解了究竟什么是顏色. 其實(shí),我們眼睛所看見(jiàn)不同的顏色出自于不同的波長(zhǎng)(見(jiàn)圖9). 牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)告訴我們,藍(lán)光的暗環(huán)比紅光的暗環(huán)較靠中心. 所以波長(zhǎng)較短的是藍(lán)光,波長(zhǎng)較長(zhǎng)的是紅光. 可以說(shuō),從顏色到干涉,波動(dòng)理論都能夠圓滿(mǎn)地解釋很多光的現(xiàn)象.

圖9 不同顏色的光具有不同的波長(zhǎng)

但這一圓滿(mǎn)的光波動(dòng)理論,有一個(gè)重大缺陷:如果光是波,那么,光波到底是由什么東西的振動(dòng)產(chǎn)生的呢?

2 光的傳播媒介和偏振

由于光能穿過(guò)真空(vacuum),這使我們很難理解為什么光是波. 如果你問(wèn)老師:什么是真空?他會(huì)回答:真空就是沒(méi)有任何東西. 假如真空真是什么都沒(méi)有,那么真空中的光怎么可能是波呢? 反之,將光看為粒子會(huì)較容易理解. 因?yàn)榱Ｗ邮且恍┪覀兎旁谡婵绽锏臇|西. 因此,當(dāng)粒子穿過(guò)真空時(shí),確實(shí)有一些東西出現(xiàn),這就是光了.

可是,實(shí)驗(yàn)卻告訴我們,光并不是粒子,而是波. 假如你真的相信實(shí)驗(yàn),真的相信光是波,這就意味著真空不是什么都沒(méi)有. 因?yàn)椴ū仨氁擅浇閬?lái)承載,波是媒介的振動(dòng). 所以將真空想象為海洋會(huì)比較恰當(dāng),而我們就好像海洋里的魚(yú). 由于我們生活在海洋里面,我們就自然不會(huì)感到水的存在. 若用這個(gè)海洋圖像,就會(huì)容易明白光的波性. 海洋里的水的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生波,這就是光波了(見(jiàn)圖10). 至于海洋里的氣泡、魚(yú)和其他的東西那就是物質(zhì). 這種可以承載光波的媒介(medium),我們稱(chēng)之為以太(ether). 引入以太這種媒介之后,我們得到一個(gè)能幫助理解光波的很好的圖像. 但是,光的故事并不如此簡(jiǎn)單. 光波是一種有特殊結(jié)構(gòu)的波. 它其實(shí)并不能被看成是液體中的波.

圖10 海洋里的光波圖像

我們是如何發(fā)現(xiàn)光波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢? 有些特別的晶體,它們會(huì)有一種現(xiàn)象稱(chēng)為“雙折射”(double refraction). 當(dāng)你將晶體放在報(bào)紙上,你可以看見(jiàn)上面的字有雙像(double image)的效果(見(jiàn)圖11). 人們對(duì)于這種現(xiàn)象一度感到非常疑惑,百思不得其解. 其實(shí),在人們肯定光是波之前,牛頓曾試圖用粒子理論來(lái)理解雙折射現(xiàn)象. 他假設(shè)有兩種光粒子,所以它們有不同的折射.

圖11 光的雙折射或雙像現(xiàn)象

我們也可以利用兩種波來(lái)解釋雙折射現(xiàn)象. 光不只是波,它還是很特別的波. 由于波是一種振動(dòng)(vibration),那么波的不同振動(dòng)方向就代表不同的波. 如圖12所示,光有兩種振動(dòng):垂直振動(dòng)和水平振動(dòng),人們對(duì)這“兩種不同的振動(dòng)”或“兩種不同方向的振動(dòng)”,用一個(gè)科學(xué)名詞———偏振(polarization)來(lái)稱(chēng)謂. 雙折射晶體對(duì)這兩種偏振有不同的影響,導(dǎo)致其不同的速度. 由于這兩種偏振有不同的速度,它們彎曲的程度亦不同,故有不同的折射. 因此,雙折射現(xiàn)象或雙像現(xiàn)象揭示了光的另一種秘密:光不只是波,而是帶有偏振的波. 我們說(shuō)有兩種光,即有兩種偏振方向的光.

圖12 光波中的兩種振動(dòng)方向:垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)

此外,偏振也可以透過(guò)偏振分光鏡(polarizer)來(lái)檢測(cè). 天然的光包含兩種方向的偏振. 偏振分光鏡只準(zhǔn)許某一偏振的光穿過(guò),而阻擋其他方向的偏振的光. 如圖13所示,當(dāng)帶有隨機(jī)偏振的天然光通過(guò)偏振分光鏡時(shí),所通過(guò)的光線(xiàn),只會(huì)在某一方向振動(dòng). 如果你加第二塊偏振分光鏡并將其旋轉(zhuǎn)90°,所有的光就會(huì)完全被阻擋. 由于振動(dòng)方向垂直于傳播(propagation)方向,因此,這種偏振就稱(chēng)為橫向(transverse)偏振. 這種波就稱(chēng)為橫波(transverse wave).

圖13 利用偏振分光鏡檢測(cè)光的偏振性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖14 在液體里,粒子是隨機(jī)分布的

這種對(duì)光波有兩種橫向偏振(transverse polarization)的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致如下一個(gè)結(jié)論. 先前我們假設(shè)真空是可以承載光波的以太,但這以太不可能是液體(liquid). 這是因?yàn)樵谝后w里,粒子是隨機(jī)分布(random distribution)的(見(jiàn)圖14). 在液體里的波,是由壓縮(compression)和解壓縮(decompression)引起的. 當(dāng)你擠壓它,它會(huì)具有較高密度;但當(dāng)你解壓它,它會(huì)有較低密度,這就產(chǎn)生了波. 當(dāng)你擠壓或解壓時(shí),液體中粒子的振動(dòng)的方向是與傳播方向一樣. 這種偏振叫縱向偏振(longitudinal polarization),其對(duì)應(yīng)的波叫縱波. 要產(chǎn)生橫波,我們須對(duì)媒介進(jìn)行剪切變形(shear deformation). 但這很難在液體里進(jìn)行. 因?yàn)橐后w中的粒子是隨機(jī)分布的,當(dāng)你剪切變形隨機(jī)分布的粒子時(shí),粒子仍然是隨機(jī)分布的,沒(méi)有任何改變. 也就是說(shuō),在液體里進(jìn)行剪切變形,將不會(huì)引發(fā)任何變化. 所以,液體只有縱波,沒(méi)有橫波(見(jiàn)圖15). 因此,以太不可能是液體. 把以太比喻為液體的海洋是不太準(zhǔn)確的.

圖15 液體只能承載縱波,不能承載橫波

既然排除了以太是液體的說(shuō)法,那么認(rèn)為以太是固體(solid)會(huì)不會(huì)行得通呢? 在固體里,粒子排列成有規(guī)律的列陣. 當(dāng)你剪切變形粒子列陣時(shí),你便會(huì)得到不同的形狀. 在固體里,確實(shí)有一種波擁有與傳播方向垂直的振動(dòng),就是前面提及的橫波. 所以,以太有可能是固體. 但是從另一角度看,固體是可以被擠壓或解壓的. 固體不但有橫波,還有縱波 (見(jiàn)圖16). 可是,光波只有兩種橫模,并沒(méi)有縱模. 因此,以太是固體的說(shuō)法也不能成立.

圖16 固體能承載縱波和橫波

只有兩種橫模,而沒(méi)有縱模,說(shuō)明光波不是普通的波. 它是非常特別的波. 由于這些特別的性質(zhì),只有縱波的液體和同時(shí)擁有縱波和橫波的固體,都不能成為可以承載光波的媒介. 這使我們陷入迷惘:我們知道光是波,但究竟什么媒介里的波才是光波呢?它不是液體里的波,也不是固體里的波. 我們被困住了! 其實(shí),人們還嘗試推測(cè)了很多其他的東西,但沒(méi)有一樣物質(zhì)可以支撐這種帶有兩種橫向偏振的光波. 所以,我們完全被困住了,仿佛完全無(wú)能為力了!很多人都放棄了以太的構(gòu)思,恐怕是因?yàn)椴恢朗裁疵浇槟艹休d光波,因而認(rèn)為這種媒介是不存在的. 但亦有人鍥而不舍,堅(jiān)持發(fā)問(wèn),最后終于發(fā)現(xiàn)可以承載只有兩種橫模的光波的媒介. 在科學(xué)界,這是屢見(jiàn)不鮮的事,然而轉(zhuǎn)折點(diǎn)往往來(lái)自一些意想不到的地方. 山重水復(fù)疑無(wú)路,柳暗花明又一村. 光的故事亦不例外.

3 光是一種電磁波

要發(fā)現(xiàn)可以承載只有兩種橫模的光波的媒介,我們要對(duì)光的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更深入的了解. 這段新的故事,始于一個(gè)意想不到的地方. 在知道光是波之前很多年,人們已發(fā)現(xiàn)了一些具有磁性特質(zhì)的物質(zhì),它們能指向北方,這就是指南針(見(jiàn)圖17左圖). 人們可以定量地研究這些磁性物質(zhì),人們發(fā)現(xiàn),一個(gè)磁石會(huì)作用于另一磁石上. 所以,磁性物質(zhì)會(huì)互相作用(interaction). 在圖17右圖中,可清楚看到這種作用,微小磁性物質(zhì)是如何分布在磁石周?chē)? 假如你將一些鐵粉濺撒在磁石的周?chē)?你便會(huì)得到這些線(xiàn). 然而,如何理解磁性物質(zhì)間的相互作用呢? 雖然磁石之間沒(méi)有任何東西,但它們?nèi)匀换ハ嘧饔?像有一種神秘的超距力量,這使科學(xué)家們感到十分好奇. 有些人如法拉第,他不相信會(huì)有超距作用,他認(rèn)為對(duì)象必須觸碰才能互相作用. 但明顯地,那兩塊磁石并沒(méi)有觸碰. 所以,法拉第便認(rèn)為磁石的周?chē)?可能有一些力的場(chǎng),這些力場(chǎng)觸碰另一塊磁石. 雖然我們看不見(jiàn)力場(chǎng)(force field),但它們是存在的. 透過(guò)接觸磁石的力場(chǎng),磁石之間便會(huì)互相作用(見(jiàn)圖18).

圖17 左圖為司南———指南針;右圖為磁鐵及其周?chē)蔫F粉

圖18 兩個(gè)磁石之間的相互作用

其實(shí),力場(chǎng)的構(gòu)思并不是什么新想法. 很多人相信,一些有魔力的人就會(huì)擁有這種“場(chǎng)”或“光環(huán)”(見(jiàn)圖19). 在科學(xué)界,磁石亦是一種有魔力和力場(chǎng)的物質(zhì),這種力場(chǎng)被稱(chēng)為磁場(chǎng)(magnetic field). 根據(jù)上文的描述,兩塊磁石之所以能互相作用,是由于磁石周?chē)拇艌?chǎng)接觸另一塊磁石,故能夠互相作用.

圖19 法拉第提出用“力場(chǎng)”的概念來(lái)解釋超距現(xiàn)象

另一種現(xiàn)象,亦是在很久之前便為人類(lèi)所發(fā)現(xiàn),就是電(electricity). 例如,夏季暴風(fēng)雨所帶來(lái)的閃光,這些光是由電造成的. 當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到用布摩擦琥珀(amber)可以產(chǎn)生電荷(charge)時(shí),我們可以對(duì)電做更加定量化的實(shí)驗(yàn)和認(rèn)識(shí). 這讓人類(lèi)進(jìn)入一個(gè)嶄新世界. 在拉丁文里,“electricus”意思是“透過(guò)摩擦琥珀來(lái)產(chǎn)生”(它是William Gilbert于1600年以拉丁文形式造的新詞,不是原拉丁文里有的詞). 所以,“電”這個(gè)名詞確實(shí)是來(lái)自摩擦琥珀. 當(dāng)一支琥珀棒經(jīng)過(guò)摩擦后,它便會(huì)帶上電荷. 和磁石類(lèi)似,一支帶電的琥珀棒可以和另一支帶電的琥珀棒互相作用. 電荷也可以不用通過(guò)接觸來(lái)互相作用. 這種電荷的超距互相作用,表明電荷也會(huì)產(chǎn)生力場(chǎng),這種電荷產(chǎn)生的力場(chǎng)被稱(chēng)為電場(chǎng)(electric field). 一個(gè)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)與另一個(gè)電荷接觸而互相作用.

最初,電(electricity)和磁(magnetism)被視為兩種分開(kāi)獨(dú)立的現(xiàn)象. 后來(lái),當(dāng)人們將它們仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn),這兩種現(xiàn)象是彼此互動(dòng)相關(guān)的. 人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有電流通過(guò)電線(xiàn)時(shí),流動(dòng)的電荷可以在電線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng). 既然流動(dòng)的電荷可以產(chǎn)生磁場(chǎng),那么移動(dòng)的磁石呢? 答案是:移動(dòng)的磁石可以產(chǎn)生電流. 我們可以用一條電線(xiàn)、一塊磁石和安培計(jì)(ammeter)做實(shí)驗(yàn). 安培計(jì)是用來(lái)量度有多少電流通過(guò)電線(xiàn). 如圖20所示,假如你將磁石移動(dòng)并通過(guò)電線(xiàn),電流便會(huì)產(chǎn)生. 移動(dòng)的電荷產(chǎn)生磁場(chǎng),而移動(dòng)的磁石會(huì)導(dǎo)致電流.

圖20 電和磁彼此互動(dòng)相生的實(shí)驗(yàn)示意圖

物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell,見(jiàn)圖21)為上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了總結(jié). 事實(shí)上,我們必須在最基本的層面上理解這種現(xiàn)象的核心. 我們知道移動(dòng)的電荷會(huì)改變電場(chǎng),而移動(dòng)電荷所產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)際上是由變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的. 類(lèi)似地,移動(dòng)的磁石會(huì)改變磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng). 移動(dòng)磁石導(dǎo)致的電流,是由變化的磁場(chǎng)而導(dǎo)致的電場(chǎng)所產(chǎn)生的. 要明白變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),我們要考慮當(dāng)磁石移向金屬環(huán)時(shí)的情況. 我們?cè)趫D20的右圖中可以看到,環(huán)中心位置的磁場(chǎng)增加,環(huán)中心增加的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞著環(huán)的電場(chǎng). 這環(huán)繞著的電場(chǎng)迫使電線(xiàn)里的電子流動(dòng),產(chǎn)生了電流. 這就解釋了為何移動(dòng)的磁石可以產(chǎn)生電流.

圖21 物理學(xué)家麥克斯韋的畫(huà)像

電生磁,磁生電. 這實(shí)在是非常有趣的事情. 電場(chǎng)引致磁場(chǎng)和磁場(chǎng)引致電場(chǎng)這種現(xiàn)象會(huì)引申出非常重要的結(jié)果,即預(yù)言了波的存在. 如何理解這種被稱(chēng)為“電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波”呢? 就讓我們想象這里有一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷. 我們知道當(dāng)一個(gè)正電荷與另一個(gè)負(fù)電荷重合時(shí),它們相互抵消而不產(chǎn)生電場(chǎng). 當(dāng)我們將兩種電荷分開(kāi)時(shí),電場(chǎng)E 會(huì)圍繞著電荷(見(jiàn)圖22),故電場(chǎng)增加. 根據(jù)麥克斯韋定律,變化的電場(chǎng)E 會(huì)導(dǎo)致環(huán)繞電場(chǎng)的磁場(chǎng)B. 由于這磁場(chǎng)正在改變或增加,其繼而導(dǎo)致環(huán)繞磁場(chǎng)的電場(chǎng),如此類(lèi)推(見(jiàn)圖23). 因此,電生磁,磁生電,我們看到傳播的電場(chǎng)和磁場(chǎng),這就是電磁波(electromagnetic wave)了. 其實(shí),實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家早已經(jīng)對(duì)電場(chǎng)引致磁場(chǎng)或磁場(chǎng)引致電場(chǎng)作出了很多定量的實(shí)驗(yàn). 麥克斯韋建立了方程式來(lái)描寫(xiě)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 麥克斯韋用他的方程可以計(jì)算出電磁波的速度. 他發(fā)現(xiàn),電磁波和光波擁有同樣的速度. 他因而下了一個(gè)結(jié)論:光波就是電磁波.

圖22 一對(duì)正、負(fù)電荷周?chē)碾妶?chǎng)分布

圖23 變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),形成電磁波的示意圖

我們沒(méi)想到能通過(guò)學(xué)習(xí)電和磁會(huì)對(duì)光波內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更深入的理解. 這種理解在科學(xué)發(fā)展上十分重要,代表了電、磁和光現(xiàn)象的統(tǒng)一(unification). 試回想我們最初的起步點(diǎn),物理學(xué)家們對(duì)現(xiàn)在的這一大統(tǒng)一的結(jié)果十分滿(mǎn)意. 雖然電、磁和光好像是三種如此不同的現(xiàn)象,但它們只是同一事物的不同方面,讓我們眼界大開(kāi). 光的電磁理論可以解釋光的偏振. 如圖23所示,光在水平方向傳播,但電場(chǎng)和磁場(chǎng)代表著的振動(dòng)方向卻是垂直于傳播方向的. 所以,電磁波是橫波,其兩種偏振都是橫向的.

光的電磁理論使我們對(duì)光已有了十分深入、全面和詳細(xì)的理解. 但我們的問(wèn)題依然沒(méi)有完全解決,我們?nèi)匀徊恢朗裁礀|西的振動(dòng)能夠產(chǎn)生光波. 在這里要更具體地指出:電場(chǎng)和磁場(chǎng)描繪的只是光波的振輻(amplitude). 強(qiáng)的電場(chǎng)對(duì)應(yīng)強(qiáng)的光和強(qiáng)的振動(dòng). 但我們并不知道什么東西的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)?對(duì)于一些曾修讀過(guò)電磁學(xué)的人,也許有過(guò)下述跟我一樣的經(jīng)歷. 當(dāng)我第一次看見(jiàn)麥克斯韋方程組(Maxwell equations)時(shí),我會(huì)自然地問(wèn)什么東西的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng),腦子里充滿(mǎn)了問(wèn)號(hào). 經(jīng)過(guò)老師反復(fù)教導(dǎo),課本反復(fù)論述,我開(kāi)始接受,電場(chǎng)就是電場(chǎng),磁場(chǎng)就是磁場(chǎng). 慢慢地,我忘記了一開(kāi)始的問(wèn)題:到底什么東西的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng). 然而,發(fā)問(wèn)的精神是非常重要的,盡管很多人認(rèn)為這是一個(gè)無(wú)知的問(wèn)題,但無(wú)知的問(wèn)題往往是開(kāi)啟睿智心靈的鑰匙.

4 光是弦網(wǎng)液體中的波

什么東西的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)? 什么東西的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于光波? 總結(jié)我們面臨的困境和問(wèn)題:液體行不通,因?yàn)樗挥锌v波;固體也行不通,因?yàn)樗瑫r(shí)有縱波和橫波. 我們不知道什么媒介中只有兩種橫波,什么媒體的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)?這里我想強(qiáng)調(diào)一個(gè)關(guān)鍵的要點(diǎn):為何液體和固體里的波有所不同. 這是由于液體里的粒子和固體里的粒子有不同的組織(organization). 不同粒子的組織造成不同種類(lèi)的波,這就被稱(chēng)為演生原理(principle of emergence). 在凝聚態(tài)物理(condensed matter physics)中,演生是一個(gè)重要概念. 演生原理強(qiáng)調(diào),粒子的組織是重點(diǎn). 要了解不同物質(zhì)的性質(zhì),我們首先需要了解物質(zhì)里的粒子是如何組織的. 液體和固體是很好的例子,可以用來(lái)說(shuō)明這一演生原理.

在液體里,粒子是隨機(jī)分布的,所以它們是隨機(jī)組織的. 當(dāng)粒子隨機(jī)組織時(shí),只有擠壓能改變組織的構(gòu)型,剪切變形不能對(duì)粒子分布起任何作用. 因此,隨機(jī)組織只有縱波,而沒(méi)有橫波. 這也解釋了為什么液體沒(méi)有形狀. 在固體里,粒子排列成有規(guī)律的列陣,是一個(gè)不同的組織. 不同的組織會(huì)導(dǎo)致不同的波. 擠壓變形和剪切變形都能改變組織的構(gòu)型(即粒子的排列). 所以,固體里既有縱波,又有橫波. 這也解釋了為什么固體有形狀.

從這個(gè)演生原理的角度來(lái)看,我們可以更準(zhǔn)確地提出問(wèn)題,切中要點(diǎn). 我們應(yīng)該問(wèn):什么樣的粒子組織可以產(chǎn)生擁有兩個(gè)橫模的波呢? 假如粒子隨機(jī)分布,便會(huì)成為液體,這是行不通的;假如粒子排列成有規(guī)律的列陣,便會(huì)成為晶體,也是行不通的. 什么樣的組織才行得通? 事實(shí)上,這個(gè)問(wèn)題困擾了我們一百多年. 直至近年,我們才找到了答案. 我們發(fā)現(xiàn)了一種粒子的組織,它可以產(chǎn)生只擁有兩個(gè)橫模的波.

在這個(gè)媒介里,粒子首先排列成弦(string),就好像聚合物(polymer)一樣. 這些弦充滿(mǎn)了整個(gè)空間而形成弦網(wǎng)(見(jiàn)圖24左圖). 但這并不是全部!弦網(wǎng)隨機(jī)地、波動(dòng)地漲落著,與液體相似. 實(shí)際上,我們也可以說(shuō)粒子的位置在液體中是隨機(jī)地、波動(dòng)地漲落著. 因此,波動(dòng)和隨機(jī)漲落的弦網(wǎng)被稱(chēng)為弦網(wǎng)液體(string–net liquid). 我們想了解,弦網(wǎng)液體里的波會(huì)是怎樣的呢?

圖24 弦網(wǎng)液體及其所形成的弦密度波

在粒子隨機(jī)分布的液體里,波動(dòng)只能是粒子密度波,其對(duì)應(yīng)于一個(gè)縱波. 同樣地,在弦網(wǎng)隨機(jī)分布的弦網(wǎng)液體里,波動(dòng)也是密度波———弦密度波. 在弦網(wǎng)液體里,有些地方會(huì)有較多的弦,但有些地方會(huì)有較少的弦,這就是弦密度波(見(jiàn)圖24右圖). 不同于粒子,弦是有方向性的. 所以弦密度是由一個(gè)矢量(vector)來(lái)描寫(xiě)的. 弦的方向就是矢量的方向. 我們注意到,由于弦是連續(xù)的,弦密度的變化方向總是垂直于弦的方向. 因?yàn)橄颐芏炔ǖ倪\(yùn)動(dòng)方向就是弦密度的變化方向,所以弦的方向(即弦密度矢量的方向)總是垂直于弦密度波的運(yùn)動(dòng)方向. 這表示弦密度波是一個(gè)橫波. 而且,只有橫波,沒(méi)有縱波.

我們終于找到了以太. 根據(jù)定義,以太是一種可以承載著有兩種橫向偏振波的媒介. 弦網(wǎng)液體就是這樣的媒介,它就是以太. 而弦網(wǎng)液體中的弦密度波就是光波(電磁波). 其實(shí),弦密度矢量對(duì)應(yīng)于電場(chǎng):弦越多的地方,代表電場(chǎng)越強(qiáng),弦的方向就是電場(chǎng)的方向. 弦網(wǎng)液體解釋了光、電、磁的起源.

你也許會(huì)問(wèn):光的起源一定是弦網(wǎng)液體嗎? 我相當(dāng)肯定,弦網(wǎng)液體里的波就是電磁波. 但是,其他媒介也有可能產(chǎn)生電磁波,弦網(wǎng)也許不是唯一的答案. 我們的真空也許不是弦網(wǎng)液體. 但是,進(jìn)一步的研究表明,弦網(wǎng)液體不僅能解釋光的起源,還能解釋電子和其他基本粒子的起源. 這說(shuō)明我們的真空也許真是弦網(wǎng)液體.

什么是電子? 電子就是電荷. 在弦網(wǎng)的圖像中,電荷就是弦的末端. 在圖25中,有兩個(gè)電荷. 你可以數(shù)數(shù)看這兩點(diǎn)是27條弦的末端,這兩個(gè)粒子各帶27個(gè)單位的電荷. 由于電荷是弦的末端,電荷的量子化也因此能被解釋.

在正電荷和負(fù)電荷之間,有很多弦網(wǎng)連接這兩個(gè)電荷. 在有很多弦網(wǎng)的區(qū)域里,有強(qiáng)的電場(chǎng). 另一個(gè)區(qū)間里只有較少的弦網(wǎng),所以只有弱的電場(chǎng). 假如你學(xué)過(guò)電磁學(xué)或電學(xué)便會(huì)知道,這不過(guò)是兩個(gè)電荷的電場(chǎng)! 所以,這幅弦網(wǎng)的圖畫(huà)(圖25),確實(shí)反映了兩個(gè)電荷周?chē)碾妶?chǎng).

圖25 電荷就是弦的末端

前文提及,根據(jù)麥克斯韋的觀(guān)點(diǎn),正電荷和負(fù)電荷分開(kāi)合并振動(dòng)時(shí),可以產(chǎn)生電磁波. 我們可以通過(guò)弦網(wǎng)圖像來(lái)理解這一現(xiàn)象. 假設(shè)有兩個(gè)電荷,我們可以分開(kāi)或合并它們. 當(dāng)你把它們分開(kāi)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很多弦網(wǎng). 當(dāng)你把它們合并起來(lái)時(shí),弦網(wǎng)沒(méi)有足夠的時(shí)間返回變?yōu)榱? 有些弦網(wǎng)綴落后,它們便會(huì)形成封閉的圈,朝著遠(yuǎn)離的方向傳播. 這就是電磁輻射(electromagnetic radiation)的弦網(wǎng)圖像(見(jiàn)圖26). 這幅圖像反映了另一種統(tǒng)一,即光與電子的統(tǒng)一. 標(biāo)準(zhǔn)的教科書(shū)不會(huì)將光和電子放在一起討論. 但弦網(wǎng)液體的圖像就不同了,光與電子其實(shí)是一樣?xùn)|西的兩方面. 中心對(duì)象是弦,光是弦的運(yùn)動(dòng),而電子便是弦的末端. 光與電子的弦網(wǎng)圖像,不僅可以解釋光的橫向偏振性以及電子的電荷,它甚至可以解釋電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)性質(zhì)[2]. 弦網(wǎng)液體不僅統(tǒng)一了光與電子,也統(tǒng)一了電磁相互作用與費(fèi)米統(tǒng)計(jì)!

圖26 電磁輻射的弦網(wǎng)圖畫(huà)

我們討論了液體、晶體和弦網(wǎng)液體這三種粒子的組織. 我們也可以將這三種形態(tài)看作三個(gè)不同的宇宙. 試想可能在某個(gè)其他的宇宙里,真空就是像海洋的液體. 在這個(gè)宇宙里,“光”被看作是液體里密度的波. 如果在那兒做實(shí)驗(yàn),我們將不會(huì)看到雙折射,因?yàn)椤肮狻痹谶@里只有一個(gè)縱模. 但假如在另一個(gè)宇宙里,真空是晶體. 在這個(gè)宇宙里,“光”會(huì)有三種偏振(一個(gè)縱模和兩個(gè)橫模),所以應(yīng)該會(huì)發(fā)生三折射(triple refraction)現(xiàn)象. 回到我們的宇宙里,光只有兩種偏振,所以我們只有雙折射. 我們觀(guān)測(cè)到的雙折射現(xiàn)象說(shuō)明,我們的真空不是液體,也不是晶體,而是“一碗面條湯”———弦網(wǎng)液體.

5 結(jié)束語(yǔ)

在凝聚態(tài)物理學(xué)中,我們對(duì)液體和晶體這兩種由粒子形成的組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分熟悉. 有很多材料都可以實(shí)現(xiàn)這兩種組織結(jié)構(gòu). 如液態(tài)組織可通過(guò)液氦(Helium)來(lái)實(shí)現(xiàn),晶態(tài)組織可通過(guò)晶體硅(Silicon)來(lái)實(shí)現(xiàn). 但在現(xiàn)實(shí)的凝聚態(tài)物理學(xué)研究中,我們遇到一個(gè)重大的挑戰(zhàn)是,尋找一種可以實(shí)現(xiàn)弦網(wǎng)液體的材料. 但可惜,我們至今還未發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì). 如果你能找到這種材料,將會(huì)是很有趣的事情,因?yàn)檫@種材料將與我們的真空極相似. 當(dāng)你手里拿著這種材料,你就“掌握”了一個(gè)模型小宇宙.

弦網(wǎng)液體給予了我們一個(gè)不同的視角來(lái)重新看世界. 在弦網(wǎng)圖景中,真空就是弦網(wǎng)液體,弦的密度波就是光波,弦的末端就是電子和夸克. 電子和夸克可以形成原子,而原子可組合成各式各樣的東西,如玻璃、細(xì)胞和地球,或者是一些會(huì)思考光和電子的起源問(wèn)題的智慧生物. 上帝說(shuō),讓光出現(xiàn),我們有了光明. 物理學(xué)家說(shuō),讓弦網(wǎng)液體出現(xiàn),我們有了光和物質(zhì). 可以說(shuō),演生原理及其對(duì)光和電子的統(tǒng)一,開(kāi)拓了科學(xué)的疆界和人類(lèi)探索的視野,讓我們可以不斷地站在新的科學(xué)前沿,嘗試揭開(kāi)宇宙的奧秘.