光的本質是什麼？具有哪些本質屬性？

匿名使用者2022-01-04 23:20:12

就我目前的瞭解，光的本質是電磁波的一種，從紅外線到可見光，再到紫外線、伽馬射線，X射線等，後者頻率和能量會很高。但是，當了解到光在任何介質中都保持光速不變，且光速是宇宙速度的極限，這些的認識就很模糊了。望高人指點，純粹是個人愛好想知道。

2021-08-12 15:25:36

有關光的本質問題發展已有很久的歷史了，早期的波動說和微粒說曾有過一段時間的爭論，但是量子力學的誕生標誌著

光的本質是波粒二象性

，德布羅意提出物質波的概念，將波粒二象性推廣到所有的微觀粒子，至此無論是純粹的波動說還是純粹的微粒說都是不準確的

量子力學中粒子的示意圖，中間顏色較深的位置是沿x方向上出現機率最大的位置，P表示動量，ћ表示約化普朗克常量（h/2π），K表示波數（2π/λ）

早期的光學主要圍繞著幾個現象來說的：“

光沿直線傳播

”、“

折射

”、“

反射

”……牛頓針對這些現象提出的微粒說：“一束光中包含著很多個粒子”；後來托馬斯楊做了光的

干涉

實驗，後來又有了夫琅禾費單縫

衍射

實驗，進而證明了光是波……

楊氏雙縫干涉實驗的示意圖（左）和干涉圖樣（右）

後來電磁理論的發展，即麥克斯韋方程組的誕生給出了“光的本質是電磁波”的結論，真空中光速為3*10^8m/s，其表示式為1/√μ0ε0，μ0為真空磁導率，ε0為真空介電常數；電場和磁場在空間中相互激發從而光向前傳播

麥克斯韋方程組是近代物理最重要的成就之一，麥克斯韋從理論上預言了光的電磁波本質，赫茲從實驗驗證了該預言

完善的電磁波理論告訴我們“可見光只是整個電磁波譜中的一部分”，並且光的種類是按頻率（或者波長）來劃分的，可見光的波長範圍是390～760nm，波長高於760nm的有紅外光（Infrared）、微波（Microwave）、無線電波（Radio wave），波長低於390nm的有紫外光（Ultraviolet）、X射線、γ射線等……

目前已知的電磁波譜（按頻率或者波長大小排序的）

量子理論中德布羅意物質波公式：λ=h/P將波動性和粒子性統一起來，波長（λ）或者頻率（υ）是波動性的體現，動量（P）是粒子性的體現，h=6。626*10^-34J•s為普朗克常量，量子理論中涉及到幾個實驗如“光電效應”、“康普頓散射”都是證明光的量子特性的，並給出了一個光子的能量是ε=hυ

關於光的產生問題，從量子力學/原子物理的角度講，一切的起點是“能級躍遷”：高能級的電子向低能級躍遷向外輻射出電磁波，根據不同的能級差對應的頻率大小，我們判斷輻射出來的是什麼型別的光

能級躍遷示意圖（電子在能級間躍遷，吸收或放出能級差對應能量大小的輻射光）

能級躍遷衍生出了受激輻射理論，該理論預言了鐳射，為了獲得穩定的鐳射輸出，鐳射從理論到實驗走了50+年，最終在1960年5月16日梅曼做出了世界上第一臺紅寶石鐳射器

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（Laser）由泵浦源（石英閃光管）、諧振腔（兩邊的反射鏡）、增益介質（紅寶石晶體）組成

至此有關光學的研究主要落在了“光的工程應用”以及“光與物質相互作用”這兩大議題上了，從理論上繼續研究光學的這批人發展出了“非線性光學”、“量子光學/量子通訊”、“光與超冷原子體系”等前沿科學，其中一部分人的目標是研究用於探測微觀世界超快瞬態過程的超短脈衝鐳射……

總結一下就是：光是從能級躍遷來的，能區分光的種類的是光的波長（或頻率），波長就像身份證一樣嚴格的將可見光分成各式各樣的顏色，從電磁理論上講光是電磁波，從量子力學上講光是具有波粒二象性的，研究微觀世界問題時可以將光考慮成一個粒一個粒的光子，研究宏觀世界問題時可以簡單的從幾何光學去理解

光柵衍射的色散與三稜鏡色散

2021-06-30 02:21:36

光是一種電磁波，會引出另一個問題——電磁波的本質是什麼？ 只有瞭解電磁波的本質，才算是瞭解了光的本質。這個觀點，大家都會認同。

電磁波是電磁場的一種運動形態。電與磁可說是一體兩面，變化的電場會產生磁場（即電流會產生磁場），變化的磁場則會產生電場。變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風輕拂水面產生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。

電磁波的官方定義如下：電磁波是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生髮射的震盪粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。電磁波是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直於電場。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

所以電磁波本質是電磁場輻射。那麼根據輻射學說，絕對零度不可達到，就說明萬物皆有輻射。向外輻射能量，這種輻射就是電磁輻射。

所以用另一句通俗的話說電磁波是一種能量，光自然也是一種能量。這樣我們就把光的一般性認識推廣到所有物質中來了，任何物質都是能量。

這時候大家會想起愛氏的一個質能公式：E=MC^2。

這個公式中竟然出現了光？光速的平方！這是偶然嗎？顯然我不會這麼想。

推導到這裡，我們再來總結一下，光是一種電磁波，電磁波是一種能量輻射。即光是一種能量。

質能公式是普遍的，是宇宙範圍內適用的公式，光出現在這個公式中，本身就代表了它是衡量宇宙物質能量的一個不可或缺“因子”。

無論你是初中生，還是科研工作者，如果你從來沒有這樣思考過的話，現在就可以好好思考一下這個問題了。

我在此書的第一章就強調過“世界是確定的，但世界的確定性我們無法把握。”這句話的深層含義就包括了，任何聯絡的偶然性，都是確定的。所以光出現在這個公式中，就不是偶然。

同樣正是本著這樣的思維指導，我在《變化》中大膽的對於慣性做了新的定義。也就是說慣性質量和引力質量嚴格相等的事實，在我看來絕非偶然，所以我推出引力是慣性的源泉觀點。對這個問題，進行了闡述。

同樣宇宙間的眾多的反比平方定律，在我的眼中也非偶然，值得去探究。如果你把所有這一個個相似，看成偶然，我們必然會失去走近真相的機會。

無獨有偶，愛氏場方程是中也出現了光。牛頓力學是愛因斯坦的狹義相對論在低速條件下的極限，包括萬有引力定律。所以萬有引力公式中其實是暗藏“光”的因素。

想到低速，你立刻就要想到“速度”這個詞。但想到速度，你又會想到光速！對了，就是這樣的。對於速度所帶來的衝擊，對於我們人類來說，至今新鮮。新的時空觀，新的宇宙觀，好像什麼都是新的。

我們這一章是對光的總結行和啟發性認識，所以我們必須緊緊圍繞光來說。

那麼現在說說光的運動，關於光的運動，前面的幾個章節的鋪墊，已經是現代實驗所取得的成果。

首先我們普通人的第一印象是光沿著直線傳播，其次光速很快，是最快的。

一個涉及運動方向，一個涉及運動速度，現在對這兩個點我們進行分析認識。

更嚴謹的認識應該是這樣的。光在真空中沿直線傳播，也可以表述為光在同一種均勻介質中沿直線傳播。【但最嚴格的真空和均勻介質是不存在的。】

在現實世界中，光大多時候不是沿著直線傳播的。光在介質中傳播時，由於光受到介質的相互作用，其傳播路徑遇到光滑的物體會發生偏折，產生反射與折射的現象。還有在不同條件下出現干涉，衍射等現象。另外，根據廣義相對論，光在大質量物體附近傳播時，由於受到該物體強引力場的影響，光的傳播路徑也會發生相應的偏折。

那麼我現在又要問題了？那麼我們說光沿著直線傳播正確嗎？或者說我們看到的光是直線的對嗎？

答案是對的。光在同一種均勻介質中沿直線傳播。就以上圖為例白色光在進入三稜鏡之前，算是在同一種介質中，所以是直線傳播。進入三稜鏡後，在三稜鏡中也算同一種介質中【只不過是被折射了】，在出三稜鏡界後，又是在同一介質中，所以沿著直線傳播。

這個問題還可以轉化為，光沿著直線傳播，可是彩虹為什麼是圓弧狀的？？大概就是上面的原因，但情況比較複雜。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠，經過折射→反射→折射……後射向我們的眼睛所形成。

我們問題永遠不會是最後的一個！ 接下來我再問你們一個問題：“既然光線是沿著直線傳播的，為什麼又說它是一種波。還有波峰，波谷？”

專業人士不要笑，確實有很多朋友，有這樣的疑惑。所以我才寫出來。既然是科普，就要講出大家的疑惑。

答案確實不難，就像上面的圖所示。我們說光是沿著直線傳播的，可是沒有人告訴你光是直線！大家要記住光沿著直線傳播，但光不是直線！光是有波峰，波谷，和頻率的，所以是有“波”的性質。

至於我們眼睛看到了光是直線，那是眼睛在欺騙我們。

如果你讀了我關於光學知識的前幾章鋪墊，就應該很清楚的知道，剛開始光的微粒說是占主導地位的，這裡面牛頓的權威影響很大。後來有了干涉和衍射現象的實驗和解釋，才打破微粒說，波動說開始被重視。再後來，愛氏關於光電效應的解釋，引出光的波粒二象性。

在光具有波粒二象性的啟發下，法國物理學家德布羅意在1924年提出一個假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動量與波長的關係式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等於普朗克恆量h 跟粒子動量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個關係式後來就叫做德布羅意公式。

很多人可能沒有耐心看整個前面的鋪墊內容，所以在這裡再次大概給大家說一下過程。

先是惠更斯，後來是牛頓。

按照惠更斯原理，波的直線傳播與球面傳播。現在認為較為完全的光理論最早是由克里斯蒂安·惠更斯發展成型，他提出了一種光波動說。使用這理論，能夠解釋光波如何因相互干涉而形成波前，在波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面傳播的定性解釋，並且推匯出反射定律與折射定律，但是他並不能解釋，為什麼當光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時，會偏離直線傳播，即衍射效應。

惠更斯假定次波只會朝前方傳播，而不會朝後方傳播。他並沒有解釋為什麼會發生這種物理行為。稍後，艾薩克·牛頓提出了光微粒說。他認為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運動定律。這可以合理解釋光的直線傳播和反射性質。但是，對於光的折射與衍射性質，牛頓的解釋並不很令人滿意，他遭遇到了較大的困難。

由於牛頓無與倫比的學術地位，他的粒子理論在一個多世紀內無人敢挑戰，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀初衍射現象被發現，光的波動理論才重新得到承認。而光的波動性與粒子性的爭論從未平息。

後來楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲等人完善了理論。

十九世紀早期，托馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳分別做出重大貢獻。托馬斯·楊完成的雙縫實驗顯示出衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說無法預測的一種波動行為。

這實驗確切地證實了光的波動性質。奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎上假定次波與次波之間會彼此發生干涉，又假定次波的波幅與方向有關。

惠更斯－菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現象。光波動說並沒有立刻取代光微粒說。但是，到了十九世紀中期，光波動說開始主導科學思潮，因為它能夠說明偏振現象的機制，這是光微粒說所不能夠的。

同世紀後期，詹姆斯·麥克斯韋將電磁學的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。這方程組能夠分析電磁學的種種現象。從這方程組，他推匯出電磁波方程。應用電磁波方程計算獲得的電磁波波速等於做實驗測量到的光波速度。麥克斯韋於是猜測光波就是電磁波。電磁學和光學因此聯結成統一理論。1888年，海因裡希·赫茲做實驗發射並接收到麥克斯韋預言的電磁波，證實麥克斯韋的猜測正確無誤。從這時，光波動說開始被廣泛認可。

看完了上面的介紹和解釋，你對光的運動又提問嗎？ 我有提問：“惠更斯原理所假想的光的傳播是真實的光的情況嗎？即關於球面波，次波，包絡面等這樣描述，是光的真實樣子嗎？”

顯然這些“次波”，“球面波”，“包絡面”都是後天發展的詞，也難為先輩們了。沒有好的想象力，還不好創造這些詞。

顯然惠更斯是很有開創性思維的一個人，但大家要知道，他的原理是從現象入手的。並不是說他觀測到了“包絡面”“次波”之類的，是為了闡述光的運動，為了符合觀測現象，而創造了這些詞。

想象的成分很大，但這是結合實際的想象，所以是有用的。沒有這次詞，我們很難給你說清楚光的諸多現象。

現在我們知道了光具有波粒二象性，那麼次波的觀點肯定是正確的，有一種“微分”思維在裡面。至於包絡面，弧度這是“波”的特性，也可以認為是正確的。 所以答案就很明顯了，這是在描述光的真實情況。

假如有另一個星球的人，他們所用的關於描述光運動現象的詞，肯定不是這些。但我們知道，無論他們用了什麼詞，我們描述的東西是一個東西。

就好像語言一樣，“早上好”有很多個不同的表述，發音，字型不一樣，但我們知道，我們說的同一個意思。

那麼菲涅爾在關於衍射和干涉的解釋，無疑也是正確的。因為他是在惠更斯的基礎上發展的理論。

惠更斯和菲涅爾的理論的數學證明，是由費馬給出的。這個前面的章節中有說過。

關於光的衍射和干涉的解釋，也是量子力學的基礎。大家熟悉的一個實驗還有單電子干涉實驗。相當詭異的一個實驗，一般認為一個電子同時透過兩個縫隙，還有電子和實驗觀察者的關係等等。

本章在此不做討論，但後面的文章中會為大家做這個解釋和闡述。現在繼續就光速做出解釋。

可以毫不誇張的說，“光速”出現在了很多最普遍的物理公式之中。愛氏方程場就是這樣的方程。我在宇宙物理書籍《變化》中對愛氏場方程做了很多闡述。

無疑場方程是正確的理論，它的難解性，就在於場方程的非線性波動性。這是一個宇宙方程。

光速無法超越，這是我們現在的認知。可是光速為什麼無法超越？光速為什麼是30萬米每秒？回答這些問題，對我們很重要。

其實這個問題在《變化》第二十六章《關於光的質量以及運動速度的說明》中我就有過闡述。今天再給大家闡述說明一下。

真正意義上物體的運動速度是不會超越光速的，而且光子是沒有靜止質量的，光也就沒有靜止質量的。這點我是贊同愛氏的觀點。

我們先來說說物體為什麼不會超越光速？大家看看這個公式m=m0/sqrt（1-v^2/c^2）。假如物體的速度V大於光速，那麼根號下肯定是1減去比它大的數字，得到一個負數，負數怎麼開根？就算開出來也沒有任何意義。這就是為什麼理論上超光速是不存在的。

同樣是這個公式，我們假設物體質量為1。物體速度達到光速。那麼此時物體的質量就變成了1除以0了。1除以零在數學上沒有意義，可是在現實宇宙環境中，意味著無窮大。也就是說物體質量趨向於無窮大。大家可以在手機上輸入1除以0，就會顯示無窮大。

所以這就是為什麼物體不能達到光速的數學解釋。無論質量為1，2，3等任何一個正數，除以零，都是一個無窮大的趨向。

這是數學解釋，你滿意嗎？我還要更深層次問物體不可以光速運動的原因是什麼？一切數字公式迴歸現實才會變的有力量，更清晰！

我這樣來回復大家，愛氏用時空彎曲解釋引力的成因，我認為需要修正。那就是引力的成因是時空，不是時空彎曲。而且時間，空間，物質是一體的東西。這種一體的東西都可以用時空能量來衡量。所以任何物體必然是處於引力場中，處於宇宙之中的物體。

那麼一個物體要超越光速就必須克服時空性質。這種時空性質是指宇宙環境，畢竟時間，物質，空間是一體的東西，它具有粘性。

而且有質量的物體以光速運動的話質量會趨於無限大，時間將停止。就好像是說這個物體作為一個“力點”要試圖影響和拉動整個宇宙。所以這是不可能實現的情況。

因為單個物體的能量是不會超越整個宇宙的能量。所以這樣解釋的話光速其實是個法則，即光速是一種束縛態，是一個束縛態法則。這就是為什麼物體運動速度不會超越光速！

另外一種通俗的解釋可以是這樣的，宇宙要求光速是以30萬米每秒為極限做運動，而不容許它突破。

我們的問題還沒有結束！既然光可以被大質量物體的引力偏轉，就說明它應該具有質量。如果沒有質量，引力就不會作用與它。

來看看兩個公式，質能公式E=MC^2。和普朗克E=hv。假設光子有質量，所以不同的躍遷跳躍光子對應不同速度，然而這與觀察結果不相符，被觀測的光子速度均為統一速度。而且普朗克公式裡面本來就沒有m的出現，本身就說明了光子靜止質量為零。或者也可以說沒有靜止質量。這樣更加準確。

事實上我們知道光子靜止質量為零，是一種理論的要求，我們誰也沒有測量它的質量是“零”。也無法測量，因為你無法找到靜止的光子。所以說光子沒有靜止質量是準確的。也可以說光子是一定有質量的，是有運動質量的。

愛氏曾質疑牛頓第一定律有迴圈論證嫌疑，這裡我發現他這個理論也有迴圈論證嫌疑。我們在現實生活中找不到慣性系，卻要來說明在慣性系中物體總要保持勻速直線運動和靜止狀態。同樣我們要證明光子靜止質量為零，首先必須找到靜止的光子。可是靜止的光子我們找不到，但我們還說光子靜止質量為零。或者說光子沒有靜止質量。在這裡的討論看似無意義，其實很有意思。

我們接著假設光子沒有靜止質量，不同躍遷的光子對應一個固定的光譜，與觀測結果一致。所以我們說光子沒有靜止質量。

那麼問題又來了，光有運動質量，為什麼運動過程，質量沒有無限大？？ 一般書本以光子沒有靜止質量來說明。但是我們其實還是不理解的。 有運動質量，為什麼不遵守理論內容呢！

類似的問題還有一個：光速為什麼以光速執行？？規定光速原則的性質和宇宙法則機制如何的？

先來回答第一個問題，光有運動質量，卻可以光速執行！我個人認為這和波粒二象性有關。光子的能量是傳輸是一份份的，而它被大質量物體偏轉時候又表現出“波”的性質。

質量和能量是兩個概念，物體的一體兩面。光子我們多以能量來形容。也就是光子以光速運動的能量是多少多少，而不是質量是多少多少。能量不是無限大，質量自然也不是無限大。所以光子這個特殊的粒子以光速運動質量不會無限大。

否則打在我們身上的太陽光，直接將我們打的灰飛煙滅！但太陽光很溫暖，說明它攜帶有能量。用我們可見的詞彙來形容就是“溫暖”，你見過誰會說給我來二斤“溫暖”。這樣形容其實不準確，只是為了讓大家有直觀的感受。

而一個原本有質量的物體，要以光速運動，就需要無限能量來維持它以光速運動。能量是無限的，那麼質量自然無窮大，所以有質量的物體是不可能達到光速的。

其實波粒二象性本身就是“宏觀”和“量子”的結合體現。也可以說是物體“質量”和“能量”的過渡體現。我們一般說質量多指宏觀，能量卻可以指向微觀。所以愛氏在發現光電效應和建立了相對論理論後，一直腦海中有統一四種基本的力的構想是正確的，也是可以統一的。物理學的發展本身也是證明了這一點，只不過萬里長城還差最後一段沒有走完！

至於最後一個問題：光為何以光速運動？ 剛才上面有回答了，其實還是時空“粘性“使然。這種粘性阻礙了物質的物體光速運動，又使得光子能以光速運動。

說到上面的迴圈論證，我想到了哥德爾不完備定理。

1、任意一個包含一階謂詞邏輯與初等數論的形式系統，都存在一個命題，它在這個系統中既不能被證明為真，也不能被證明為否。

2、如果系統S含有初等數論，當S無矛盾時，它的無矛盾性不可能在S內證明。

所以大家看到了，偉大的哥德爾為我們揭示了一個哲理啟發。任何一個迴圈論證，悖論和理論想要以此說此，以彼證彼，層層跟進最後的結果是不可證，不可說。

這就是告訴了我們，宇宙以一種彼此連線的形式存在，卻不能自證真偽。是啊，宇宙不需要真，也不需要偽，但是人類需要！

我們的問題沒有最後的一個？ 其實關於光，再多的問題也不多餘，真正的難題，還沒有解決？

麥克斯韋當初計算出電磁波速度是光速，大膽預言光就是電磁波。可是到現在有誰能說明光速為什麼是30萬米每秒，而不是29萬米沒秒。電磁波在真空中是30萬米每秒，是頻率和波長的乘積。可是單個光子速度也是30萬米每秒，單個光子也有頻率和波長嗎？ 各位為什麼說我們的問題永遠不會是最後一個了吧？

更多問題，更多回答。我的回答不是最好的，你們可以罵，但我希望你們的回答永遠都比我好，比我的回答有啟發性。

摘自獨立學者，科普作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

2013-12-15 03:57:32

若再要討論到本質的話，是沒有粒子和波的說法的，只有屬性的說法，比如說光子，有自旋為零，靜質量為零這些屬性，這些屬性的集合即光子。所謂粒子或波只是這些微觀存在的屬性的一種分類方法，是一種唯像的表述。