光 電 統(tǒng) 一 及 其 起 源

1.光是粒子還是波

光是什么？這似乎是一個很簡單的問題。然而，它卻開啟了人類的智慧和視野。對于光是什么這個問題，很多人都會回答：光是太陽發(fā)出來的東西。但這并沒有回答我們真正想要知道的東西。我們想要了解的是：光本身究竟是什么?

歷史上曾經(jīng)對光的理解做出巨大貢獻的物理學(xué)家牛頓、胡克、惠更斯等，在那個時代給出的回答不盡相同。牛頓認為光是一束顆粒。按照牛頓的理解，光是以直線行走的，而我們又可以將光束分成很多部分，即阻擋部分的光，剩余的部分會穿透走了。胡克、惠更斯則認為光是波，而非顆粒。光是波這種說法有點奇怪，似乎采用了一個不太自然的角度來看光。

微粒說和波動說是兩種很不相同的理論認識，哪一個才是正確的？或者說，哪一個理論能夠圓滿解釋光的現(xiàn)象？折射是光的基本現(xiàn)象，當(dāng)光線經(jīng)過一個媒介時，例如玻璃，光線前進的方向會彎曲，更垂直玻璃的表面。如何解釋光的折射現(xiàn)象？根據(jù)牛頓的粒子理論，當(dāng)光線照射到界面上時，光的粒子會感受到有一股力將它們拉向媒介內(nèi)，這些粒子前進的方向便會改變，因而造成光的折曲；當(dāng)光線離開玻璃時，粒子會感受到相反的力，光線會折向另一側(cè)。按照胡克和惠更斯的波動理論，光是波，當(dāng)波照射在界面上時，波會在媒質(zhì)內(nèi)減慢速度，使波前速度減慢，以致光線彎曲，這就是波動理論對折射現(xiàn)象的解釋。這兩種解釋可以得出不同的結(jié)論：在粒子理論中，光在媒介里的速度比較快；在波動理論中，光在媒介里的速度卻比較慢。

在科學(xué)界，你可以提出不同的理論，得到不同的結(jié)論，但正確與否要由實驗來判斷。實驗發(fā)現(xiàn)，在媒介內(nèi)光的速度會比較慢，這告訴我們波動理論勝出。波動理論除了能夠解釋光在媒介內(nèi)會減慢速度，還有更加奇妙的預(yù)測。光作為波，會發(fā)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)你將兩個波并排疊加時，即波峰對著波峰、波谷對著波谷，便會形成一個較強的波；如果將兩波調(diào)至波峰對著波谷、波谷對著波峰，兩波合起來便會互相抵消。按光的粒子說是沒有這個現(xiàn)象的。在光的粒子理論中，當(dāng)我們將兩部分粒子放在一起時，光的強度會增加；在光的波動理論中，兩個波放在一起同樣會增加或減少光的強度，這取決于它們?nèi)绾闻帕小τ诠獠ǖ寞B加，如果光的強度增加，稱為相長干涉，反之，如果光的強度減少，則稱為相消干涉。

我們可以通過牛頓環(huán)這個實驗來觀察光的干涉現(xiàn)象。把凸玻璃置于另一塊平面玻璃上，這樣它們之間就有細少的空氣層。當(dāng)光線照射時，光線會分別被玻璃面和鏡面反射。如果兩條光線能夠波峰對著波峰、波谷對著波谷排列，相長干涉便會發(fā)生；如果光線照射到另一處位置時，波谷對著波峰，則會發(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，這時光線是同相位的。當(dāng)光線遠離中央時，空氣層就會越來越大，最終，反射光線會發(fā)生相消干涉。這就解釋了為何會首先看見暗帶。當(dāng)距離越來越大時，兩波會再次排列，你就會看到亮帶。如此類推，這個實驗讓我們看到了光就是波的實驗證據(jù)。

如果實驗采用不是單色光，而是普通白色光，仍然可以看見環(huán)帶，而且還有顏色。這時仔細看亮環(huán)的外緣，會發(fā)現(xiàn)顏色是紅色和黃色。為何會是這樣？原因在于白光中擁有所有顏色的光。對于某些顏色的光，第一個暗環(huán)會較為靠近中央，但對于另一些顏色的光，環(huán)帶會較遠離中央。對于藍光而言，相消干涉首先發(fā)生，藍光暗環(huán)較為靠近中央。這時看不見藍光，我們所能看見的就是紅光和黃光。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。

這個實驗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。我們所看見的不同顏色，它出自于不同的波長。牛頓環(huán)實驗告訴我們，藍光的暗環(huán)比紅光的暗環(huán)較靠中心，所以波長較短的是藍光，較長的是紅光?？梢哉f，從顏色到干涉，波動理論都能夠圓滿地解釋很多光現(xiàn)象。

但是，這一圓滿的光波動理論有一個重大缺陷：如果光是波，那么，光波到底是由什么東西的振動產(chǎn)生的？

2.光的傳播媒介和偏振

由于光能穿過真空，這使我們很難理解為什么光是波。假如真空真是什么都沒有，那么真空中的光怎么可能是波？反之，將光看為粒子卻好理解些，因為粒子是一些我們放在真空里的東西。光作為粒子進入真空就有了一些東西，就出現(xiàn)光了?？墒菍嶒灨嬖V我們，光是波而不是粒子。這就意味著真空并不是什么都沒有，因為波必須要由媒介來承載，只有媒介振動才會有波?？磥?，將真空想象為海洋比較恰當(dāng)，我們就好比是海洋里的魚。由于生活在海洋里面,我們當(dāng)然不會感到水的存在。如果用這個海洋圖像，就容易明白光的波性。海洋里的水發(fā)生振動將產(chǎn)生波，這就是光波了。至于海洋里的氣泡、魚和其它東西，那就是物質(zhì)。這種可以承載光波的媒介稱之為以太。引入以太這這個概念，可以得到一個能幫助我們理解光波的圖像。但是,光的意義并不如此簡單，它作為波是一種有內(nèi)在意義的波，并不適合被看成是液體中的波。

如何證實光波有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要分析光的現(xiàn)象。有些晶體，它們有一種被稱為“雙折射”的現(xiàn)象。把這種晶體放在報紙上，你可以看見上面的字有雙像的效果。人們對于這種現(xiàn)象一度感到非常疑惑，百思不得其解。其實，在肯定光是波之前，牛頓曾試圖用粒子說來理解雙折射現(xiàn)象。他假設(shè)有兩種光粒子，它們有不同的折射。
?    當(dāng)然，也可以利用兩種波來解釋雙折射現(xiàn)象。光不只是波，它還是很特別的波。由于波是一種振動，那么波的不同振動方向就代表不同的波。光有兩種振動，即垂直振動和水平振動。這兩種不同的振動或稱兩種不同方向的振動，叫做“偏振”。雙折射晶體對這兩種偏振有不同的影響，導(dǎo)致其傳播速度也不同。正是因為兩種偏振有不同的速度，它們彎曲的程度亦不相同，故有不同的折射。因此，雙折射現(xiàn)象（雙像現(xiàn)象）揭示了光的另一種秘密：光不只是波，而且是帶有偏振的波。通常所說有兩種光，意思即為兩種偏振方向的光。
?    對偏振現(xiàn)象，可以利用偏振分光鏡來檢測?？陀^存在的光包含兩種方向的偏振，而偏振分光鏡只準(zhǔn)許某一偏振的光穿過，對其它方向的偏振光有阻擋效應(yīng)。隨機偏振的自然光通過偏振分光鏡后，所有光線只在某一方向振動，這時如果加第二塊偏振分光鏡，并將其旋轉(zhuǎn)90°，所有的光就會完全被阻擋（上圖中的檢偏器轉(zhuǎn)動90°即偏振為I的光線消失）。這表明光的振動方向垂直于傳播方向，因而稱這種偏振為橫向偏振，這種波就稱為橫波。

光波有兩種橫向偏振，這告訴我們，先前假設(shè)真空是可以承載光波的以太，它不可能是液體。這是因為，液體的粒子是隨機分布的，在液體內(nèi)的波是由壓縮和解壓引起的，你擠壓它，它會有密度聚集；你解壓它,它會發(fā)散密度，這就表征為波。這種對液體的擠壓或解壓引起振動的方向與傳播的方向一致，所有，這種偏振叫縱向偏振，相應(yīng)的波叫縱波。

要產(chǎn)生橫波，媒介必須發(fā)生剪切變形，但這在液體里很難實現(xiàn)。其原因是，液體中的粒子在沒有另外因素影響的情況下，液體粒子隨機分布的組合規(guī)律不會因剪切而發(fā)生任何改變。所以，液體只有縱波，沒有橫波。也就是說，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。

既然排除了以太是液體的說法，那么是否可以認為以太是固體空間的特性呢？我們知道，固體粒子的排列是有規(guī)律的列陣，如果剪切變形粒子列陣，當(dāng)然可以得到不同的形狀。在固體里，也確實有一種波擁有與傳播方向垂直的振動，也就是前面提及的橫波。這視乎可以把以太比作固體，但固體是可以被擠壓或解壓的，即固體不但有橫波，而且還有縱波。但是，光波只有兩種橫模，并沒有縱模。因此，以太是固體的說法也不能成立。

只有兩種橫模而沒有縱模，說明光波不是普通的波，而是非常特別的波。正是因為光的這類特別的性質(zhì)，只有縱波的液體和同時擁有縱波和橫波的固體，都不能作為承載光波的媒介以解釋光的特性。這使我們感到困惑：光是波，它不是液體里的波，也不是固體里的波，它在什么媒介里的波才是光波？人們還嘗試推測了很多其它的東西，也都沒有找到一樣物質(zhì)可以支撐有兩種橫向偏振光波的。太困繞人了，難怪愛因斯坦說對于光“思考了幾十年都沒有搞清楚”！一直以來，很多人放棄了對以太的構(gòu)思，恐怕是因為不知道什么媒介能承載光波，因而認為以太不存在。但亦有人鍥而不舍，轉(zhuǎn)折點往往來自一些意想不到的地方。

3.光是一種電磁波

在知道光是波之前好多年，人們發(fā)現(xiàn)具有磁性特質(zhì)的物質(zhì)，也就是指南針。微小磁性物質(zhì)是如何分布在磁石周圍的？把一些鐵粉撒在磁石周圍,可以看到相應(yīng)的線狀排列。這使科學(xué)家們感到十分好奇，如法拉第。他認為物質(zhì)（物體）必須觸碰才能互相作用?？墒?，兩塊磁石沒有相碰就有力的作用。所以法拉第便認為磁石的周圍可能有一些力的場，這是力場在觸碰另一塊磁石，雖然看不見力場，但它們是存在的。

力場的構(gòu)思并不是什么新鮮事，很多人相信，一些有魔力的人就會擁有這種“場”或“光環(huán)”。磁石是一種有力場的物質(zhì)，這種力場在科學(xué)界被稱為磁場。

另一種與光有關(guān)的現(xiàn)象便是電。例如暴雨天氣出現(xiàn)的閃光是由雷電造成的。當(dāng)人們認識到布與琥珀摩擦可以產(chǎn)生電荷之后，就可以對電做定量化的實驗和認識。一支琥珀棒經(jīng)過摩擦，它會帶上電荷。與磁石類似，兩支帶電的琥珀棒可以產(chǎn)生互相作用，表明電荷不用通過接觸也可以發(fā)生作用，即電荷也會產(chǎn)生力場，這就是所謂的電場。電荷產(chǎn)生的電場能與另一個電荷接觸而互相作用。

最初，電和磁被視為兩種獨立分開的現(xiàn)象。后來，研究發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象是彼此相關(guān)的。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，流動的電荷可以在電線周圍產(chǎn)生磁場，而移動的磁石也可以產(chǎn)生電流。用一根電線、一塊磁石和安培計做實驗，如果將磁石移動并通過電線，安培計顯示有電流產(chǎn)生，即移動磁石會產(chǎn)生電流。

麥克斯韋為相關(guān)實驗作出了總結(jié)，我們必須在最基本的層面上理解實驗現(xiàn)象的實質(zhì)。移動電荷所產(chǎn)生的磁場，實際上是由變化的電場產(chǎn)生的。類似，移動的磁石改變磁場，變化的磁場會產(chǎn)生電場。移動磁石導(dǎo)致的電流，是由變化的磁場而導(dǎo)致的電場所產(chǎn)生的?？紤]當(dāng)磁石移向金屬環(huán)時的時候，環(huán)中心位置的磁場強度逐步增加，所增加的磁場會產(chǎn)生環(huán)繞環(huán)的電場。這種環(huán)繞著的電場迫使導(dǎo)體里的電子流動就產(chǎn)生了電流。這是解釋磁石移動為什么可以產(chǎn)生電流。

電生磁，磁生電，這是非常有趣的事情。將電場引致磁場或?qū)⒋艌鲆码妶龀霈F(xiàn)的現(xiàn)象能引申出非常重要的結(jié)果，即預(yù)言了波的存在。要理解這種被稱為“電場和磁場”的波？必然涉及到正、負電荷的概念。當(dāng)一個正電荷與另一個負電荷重合時，它們相互抵消而不產(chǎn)生電場。而如果將兩種電荷分開時，電場E會圍繞著電荷，正負電荷分開的過程就是電場強度增加的過程。根據(jù)麥克斯韋定律，變化的電場E會產(chǎn)生環(huán)繞電場的磁場B，而磁場也在不斷地改變著，反過來又導(dǎo)致環(huán)繞磁場的電場出現(xiàn)。如此類推，就產(chǎn)生了電生磁，磁生電。所謂傳播的電場和磁場亦是電磁波了。

其實，物理學(xué)家們早已經(jīng)對電場引致磁場或磁場引致電場作出了很多實驗，麥克斯韋不過是建立方程式來描寫這些實驗結(jié)果。麥克斯韋用他的方程計算電磁波的速度，發(fā)現(xiàn)電磁波和光波擁有同樣的速度，據(jù)此他下了一個結(jié)論：光波就是電磁波。

研究電和磁可以對光波的內(nèi)在本質(zhì)有更深入的理解，使我們明白電、磁和光是統(tǒng)一的，是同一物理實在的不同物理現(xiàn)象。光的電磁理論可以解釋光的偏振。光在水平方向傳播，而電場和磁場的振動方向是垂直于傳播方向的，所以電磁波是橫波，它的兩種偏振都是橫向的。

光的電磁理論使我們對光有全面和詳細的理解，但是，問題依然沒有完全解決，我們?nèi)匀徊恢朗裁礀|西的振動能夠產(chǎn)生光波。更具體說：電場和磁場描繪的只是光波的振輻，強電場對應(yīng)的是強光和強振動，還不知道是什么東西的振動對應(yīng)于電場。在課本和老師反復(fù)論述中，我們接受的還是：電場就是電場，磁場就是磁場；電場轉(zhuǎn)化為磁場，磁場轉(zhuǎn)化為電場。最后就慢慢的忘記了一開始的問題：到底什么東西的振動對應(yīng)于電場。盡管很多人認為這是一個無知的問題，卻不能抹去這個難解的困惑。

4.光是弦網(wǎng)液體中的波

什么東西振動對應(yīng)于電場和磁場？什么東西振動對應(yīng)于光波？償試“液體”行不通，因為它只有縱波；類比“固體”也行不通，因為它同時有縱波和橫波。我們想要知道的是：什么媒介中只有兩種橫波，什么媒體的振動對應(yīng)于電場和磁場。

首先必須搞清楚，為何液體和固體里的波有所不同。液體和固體里的粒子存在方式是不同的，不同存在形式的粒子造成不同種類的波，這被稱為演生原理。在凝聚態(tài)物理學(xué)中，演生是一個重要概念，演生原理強調(diào)的是粒子的存在方式。要了解不同物質(zhì)的性質(zhì)，就要了解物質(zhì)里的粒子是如何存在的。

在液體里，粒子是隨機分布的，粒子的存在方式是隨機組織。當(dāng)粒子以隨機組織存在時,只有擠壓能改變組織的構(gòu)型，剪切變形不能對粒子分布起任何作用。因此，隨機組織只有縱波，沒有橫波。這也解釋了為什么液體沒有形狀。在固體里，粒子往往排列成有規(guī)律的列陣，比如晶體就是一個以粒子點陣為存在形式的組織。不同的固體組織導(dǎo)致的是不同的波，擠壓變形和剪切變形都能改變組織的構(gòu)型(即引起粒子排列發(fā)生變化)。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。

從演生原理的角度來看，我們可以更準(zhǔn)確地提出問題，切中要點：什么樣的粒子組織可以產(chǎn)生擁有兩個橫模的波？假如粒子隨機分布，就是液相，這行不通；假如粒子排列成有規(guī)律的列陣，顯然也行不通。那么什么樣的組織才行得通？這個問題已經(jīng)困擾了我們100多年。

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，有一種粒子構(gòu)成的組織，它可以產(chǎn)生只擁有兩個橫模的波。在這個媒介里，粒子首先排列成弦，就好像聚合物一樣，這些弦充滿了整個空間而形成弦網(wǎng)。也就是說，構(gòu)成弦網(wǎng)的粒子的存在形式，象是在液體中隨機地、波動地漲落著。但這并不是光波的全部。

弦網(wǎng)的隨機漲落與液體相似。對這種波動和隨機漲落的弦網(wǎng)，稱為弦網(wǎng)液體。我們想了解,弦網(wǎng)液體里的波會是怎樣？

在粒子隨機分布的液體里，波動只能是粒子密度波，它對應(yīng)于一個縱波。同樣，在弦網(wǎng)液體里，波動也是密度波—弦密度波。換一句話說，在弦網(wǎng)液體里，出現(xiàn)有些地方有較多的弦，有些地方有較少的弦，就是弦密度波。不同于粒子，弦是有方向性的，弦密度由一個矢量來描寫的，弦的方向就是矢量的方向。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，而弦密度波的運動方向也就是弦密度的變化方向。這就意味著，弦的方向(即弦密度矢量方向)總是垂直于弦密度波的運動方向，即弦密度波是一個橫波，而且只有橫波，沒有縱波。

按照弦網(wǎng)液體的定義，我們終于找到了以太，它是一種可以承載兩種橫向偏振波的媒介，這樣的媒介就是存在于以太中的弦網(wǎng)液體，我們所謂的以太指的就是弦網(wǎng)液體。于是，光或電磁波就是弦密度波，弦密度矢量對應(yīng)的正是電場，弦的方向也就是電場的方向，一定空間區(qū)域內(nèi)弦的多少表征的是電場強度的大小。這樣就解釋了光、電、磁的起源。

可能有人要問：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。當(dāng)然，其它媒介也有可能產(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，還能解釋電子和其它基本粒子的起源。這說明我們的真空也許真的是弦網(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。對于有兩個電荷，這兩點是27條弦的末端，兩個粒子各帶27個單位的電荷。由于電荷是弦的末端，說明電荷是量子化的。

在正電荷和負電荷之間，有很多弦網(wǎng)連接這兩個電荷。在有很多弦網(wǎng)的區(qū)域里，有強的電場。另一個區(qū)間里只有較少的弦網(wǎng)，說明只有弱的電場。由兩個電荷的電場提供的圖景，確實可以反映兩個電荷周圍存在的電場。

麥克斯韋認為，正、負電荷的分開與合并引起振動，將產(chǎn)生電磁波。按照的弦網(wǎng)圖像，我們假設(shè)有兩個電荷可以分開或合并它們。當(dāng)它們分開時,就會產(chǎn)生很多弦網(wǎng)；當(dāng)它們合并起來時，弦網(wǎng)沒有足夠時間返回為“0”，有些弦網(wǎng)綴落后,它們便會形成封閉的圈，朝著遠離的方向傳播，這就是電磁輻射的弦網(wǎng)圖像。同時，它也反映了光與電子的統(tǒng)一。在弦網(wǎng)液體里，光與電子是一個事物的兩個方面，中心對象是弦，光是弦的運動，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以及電子的電荷，它甚至可以解釋電子的費米統(tǒng)計性質(zhì)。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米統(tǒng)計。

液體、晶體和弦網(wǎng)液體是粒子的三種不同的組織，我們可以將這三種形態(tài)看作三個不同的宇宙。試想，可能在某個其他的宇宙里，真空就像海洋的液體。在這個宇宙里，“光”被看作是液體里密度的波。如果在那兒做實驗,我們將不會看到雙折射，因為“光”在這里只有一個縱模。但假如在另一個宇宙里，真空是晶體，“光”會有三種偏振(一個縱模和兩個橫模)，所以應(yīng)該會發(fā)生三折射現(xiàn)象。回到我們的宇宙里，光只有兩種偏振，就只有雙折射。我們觀測到雙折射現(xiàn)象，說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

在凝聚態(tài)物理學(xué)中，有很多材料能夠?qū)崿F(xiàn)物相轉(zhuǎn)變。從弦網(wǎng)的意義上講，液態(tài)組織可通過液氦來實現(xiàn),晶態(tài)組織可通過晶體硅來實現(xiàn)。我們遇到的一個重大挑戰(zhàn)是，尋找一種可以實現(xiàn)弦網(wǎng)液體的材料，但至今還未發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)。如果能找到這種材料，這將是很有趣的事情。假如這種材料存在，將與我們的真空極相似。當(dāng)你有了這種材料，你就等于是“掌握”了一個模型小宇宙。弦網(wǎng)液體給予了我們一個不同的視角來重新看世界。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，包括細胞和地球，或者智慧生命。上帝說，讓光出現(xiàn)，我們有了光明；物理學(xué)家說，讓弦網(wǎng)液體出現(xiàn)，我們有了光和物質(zhì)?？梢哉f,演生原理及其對光和電子的統(tǒng)一，開拓了科學(xué)的疆界和人類探索的視野，讓我們可以站在新的科學(xué)前沿,嘗試揭開宇宙的奧秘。