1869年俄國科學(xué)家門捷列夫將發(fā)現(xiàn)的元素，按照相對原子質(zhì)量由小到大排列，將化學(xué)性質(zhì)相似的元素放在同一縱行，編制出了這張?jiān)刂芷诒?/strong>。如果你仔細(xì)地觀察這張表，你就會發(fā)現(xiàn)這張包含了118個元素的元素周期表，卻唯獨(dú)沒有光。
元素周期表
偉大的天才發(fā)明家尼古拉·特斯拉，1899年在他位于科羅拉多斯普林斯的實(shí)驗(yàn)室里，接受《永生》雜志的采訪時說，“一切都是光；物質(zhì)誕生于最原初、最永恒的能量，即我們所知的光”。尼古拉·特斯拉的這段看似莫名其妙的話，卻揭示了宇宙最核心的秘密：所有的物質(zhì)或許都是從光里產(chǎn)生的。而光又是宇宙中最常見的一種東西，那么光究竟是什么？或者說光的本質(zhì)是什么？為什么說光明是宇宙的終極秘密？這還得從我國發(fā)射的一枚世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”說起。
潘建偉
2016年8月16日1時40分，在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了一枚世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。為什么這顆量子衛(wèi)星要用墨子來命名呢？中國科學(xué)院院士、物理學(xué)家潘建偉說:'衛(wèi)星之名取自于我國科學(xué)家先賢，體現(xiàn)了我們的文化自信。'墨子是中國歷史上唯一一個農(nóng)民出身的哲學(xué)家，也是一位鮮為人知的偉大科學(xué)家，《墨經(jīng)》中有這樣一段記載：“光明之人，煦xù若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠(yuǎn)近有端與于光故景庫內(nèi)也?！?/span>
這段話的意思是說：墨子做了這樣一個實(shí)驗(yàn)，在屋子的一面墻上鑿一個小孔，屋外站一個人，光線穿過這個人，并且穿過小孔透進(jìn)屋子，于是你能看到屋子的墻上會呈現(xiàn)一個倒立的人影。這也是世界上第一個'小孔成像'實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)解釋了小孔成像的原因，而這正是現(xiàn)代照相技術(shù)原理的起源。
墨子是最早通過小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光是通過直線傳播的科學(xué)家，墨子的小孔成像是其后的一系列光學(xué)發(fā)展的鼻祖，小孔成像是光學(xué)中一條非常重要的原理，但是要想進(jìn)一步了解“光”的特性，就需要用抽象的形式把光剝離出來，聽起來是不是就覺得很抽象，不過科學(xué)家總是有辦法，他們運(yùn)用一種全新的研究方法：數(shù)學(xué)。
公元前300年左右，歐洲誕生了一個非常了不起的人物，他叫歐幾里得，是古希臘的數(shù)學(xué)家，被稱為幾何之父。他撰寫的《幾何原本》，奠定了西方數(shù)學(xué)的幾何基礎(chǔ)，成為了西方最成功的教科書之一。歐幾里得除了在數(shù)學(xué)上的偉大建樹外，還利用幾何學(xué)發(fā)現(xiàn)了光的秘密。在一次測量神廟地基的時候，他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)方的柱子比人要大很多，但是看上去竟然和眼前的手指差不多大小，他認(rèn)為人的視覺感官的成像原理就是近大遠(yuǎn)小。
于是他運(yùn)用幾何學(xué)原理，反復(fù)地計(jì)算光線的角度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光線的入射角完全等于反射角。從此人類對光的研究，也開始運(yùn)用數(shù)學(xué)的原理掌控光的性質(zhì)。根據(jù)幾何原理，歐幾里得總結(jié)出，只要控制光的入射角度，就可以用不同的三角形，完全預(yù)測光線的走向。后來歐幾里得根據(jù)自己對光的研究，撰寫了《反射光學(xué)》。人類對光的理解又上升了一個臺階。古希臘時代的天文學(xué)家托勒密，就曾專門做過光的折射實(shí)驗(yàn)，并得出了“折射角與入射角成正比”的結(jié)論。
1200年之后，阿拉伯偉大的伊斯蘭學(xué)者阿勒·哈增（965-1038），在視覺生理學(xué)方面進(jìn)行過深入的研究。他認(rèn)為，視覺是在玻璃體中得到。比如“網(wǎng)膜”“角膜”、“玻璃狀體”、“前房液”等術(shù)語都是阿勒·哈增的發(fā)明。阿勒·哈增從希臘人那里學(xué)到了反射角的定律，他認(rèn)為光線是從被觀察的物體以球面形式發(fā)射出來的，但他進(jìn)一步指出，入射線、反射線以及法線都位于同一平面上。 后來他將自己畢生對光的研究，撰寫成了《光學(xué)全書》，書中解釋了光的反射、折射定律，并作了精確的計(jì)算。
兩個世紀(jì)之后，1214年出生的英國具有唯物主義傾向的哲學(xué)家和自然科學(xué)家羅杰·培根，在33歲的時候，加入了方濟(jì)各會做了一名修士，這個方濟(jì)各會就是天主教托缽修會之一，1209年由意大利人方濟(jì)各所創(chuàng)。加入方濟(jì)各會的羅杰·培根，用全部的財力置辦了一個完整的煉金術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開始研究包括煉金術(shù)、語言學(xué)、光學(xué)以及數(shù)學(xué)和天文學(xué)。他懷疑推理演繹法，堅(jiān)持經(jīng)驗(yàn)的可靠性。因此也被稱為實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)。
他對光的性質(zhì)和彩虹的研究頗有獨(dú)到之處，繪制了眼鏡的制作、闡述了反射、折射、球面光差的原理，后來因用自然原理解釋神跡，這個神跡也就是我們說的彩虹，因此違背了神圣的教義被監(jiān)禁。基督教也利用對光線和天文的研究，對每日中午光線通過小孔投射到教堂內(nèi)部銅鐘上的不同位置，來計(jì)算歷法，并以此來控制信徒。
當(dāng)時，人們無法想象驅(qū)散黑暗、充滿物質(zhì)世界的光，其實(shí)也是萬物的締造者。因?yàn)?/span>從墨子到歐幾里得到阿勒·哈增再到羅杰·培根，他們的研究不管是光的直線傳播，還是光的反射甚至折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這些都只是光的物理性質(zhì)。也就是說這只是光的表面現(xiàn)象。那么光的深層次現(xiàn)象又是什么呢？這個問題的答案，要等到400年后，人類歷史上的第一個科學(xué)偉人的出現(xiàn)？
時間來到1672年，一個年僅29歲的英國小伙子，因?yàn)橹圃炝艘慌_杰出的望遠(yuǎn)鏡而被當(dāng)選為英國皇家學(xué)會的會員。有觀眾老爺知道這個年輕小伙子是誰嗎？沒錯他就是萬有引力的發(fā)現(xiàn)者艾薩克·牛頓。很多人只記住了他在力學(xué)上的貢獻(xiàn)，卻忽略了他對光學(xué)的影響。如果你打開百科，就會有這樣一段描述：牛頓在光學(xué)上，他發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，并基于對三棱鏡將白光發(fā)散成可見光譜的觀察，發(fā)展出了顏色理論。
那么這個被蘋果砸中的神人，是何時對“光”產(chǎn)生了興趣的呢？這還得從1665年到1666年爆發(fā)在英國的大規(guī)模傳染病說起，這是一種由鼠疫桿菌造成并以跳蚤為載體的細(xì)菌感染，此次瘟疫共奪走了8萬人的生命，相當(dāng)于倫敦五分之一的人口，故此也被史學(xué)家稱為倫敦大瘟疫。
時年22歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到了鄉(xiāng)下老家居住，也就是這個時候，他就已經(jīng)在光學(xué)領(lǐng)域做出了深刻的思考，他提出了一個與眾不同的問題，光為什么能進(jìn)入眼睛？要是對眼睛施加外部的壓力，光會因此做出改變嗎？
于是他用一根小木棍，塞在眼珠與眼眶之間。這個行為非常危險，各位看官千萬不要嘗試。然后他用力一點(diǎn)一點(diǎn)地向眼睛內(nèi)部插入，他的眼球承受的壓力越來越大，疼痛感也在逐級上升。突然牛頓發(fā)現(xiàn)眼睛焦點(diǎn)的外圍，有一圈七色的彩光，牛頓此時感到既興奮又好奇，他忍著疼痛，繼續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)這一圈七色彩光的布局，竟然和彩虹如出一轍。彩虹怎么長進(jìn)眼睛里了呢？牛頓猜想彩虹難道是光的本源之相，是光的屬性的一部分。
一年以后，也就是1666年的仲夏，牛頓在光學(xué)方面的研究，取得了歷史性的突破發(fā)現(xiàn)。這還得從牛頓的一個實(shí)驗(yàn)說起。一天牛頓帶著一頂厚重的假發(fā)在一間小屋子里發(fā)呆，突然他靈光乍現(xiàn)，然后就用尺子在屋子里一通測量，測量完畢后，在屋子靠南的某個位置，開鑿出了一個圓形的小孔。然后牛頓將屋子里的窗戶全部封死，所有的窗簾也被他拉上了。
此時的屋子里面又悶又熱，漆黑一片。只有一束光從開鑿的那個小孔里射了進(jìn)來。由于是炎熱的夏天，在這個密不透風(fēng)的小屋里，牛頓身上汗如泉涌、但是他依然全神貫注地在屋里走來走去。并不時的將一塊三菱鏡放在小孔入口處，攔截光線，然后反復(fù)的調(diào)整位置，使陽光的入射角與反射角，完全相同。就在此時，奇怪的事情發(fā)生了，當(dāng)三菱鏡攔截光線的入射角與反射角相重合時，原來的那束白光就不見了，而是在墻上得到了一個彩色光帶，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。這個實(shí)驗(yàn)也被稱為色散實(shí)驗(yàn)。
牛頓發(fā)現(xiàn)紅光和紫光始終都處在光帶的兩端，這是怎么回事呢？牛頓進(jìn)一步觀察分析，發(fā)現(xiàn)紫光的偏折角度最大，紅光的偏折角度最小，所以這兩種顏色的光就在光帶的兩端。這一偉大的發(fā)現(xiàn)，牛頓只用了兩個字表述了這個現(xiàn)象——光譜。根據(jù)牛頓的色散實(shí)驗(yàn)，我們知道白光可以被分解成七色的純光，那么純光還能夠再次被分解嗎？
于是牛頓啟動了色散實(shí)驗(yàn)2.0。他在彩色光帶中導(dǎo)出了一束紅色純光，然后用三菱鏡進(jìn)行入射角與反色角的調(diào)整，可是不論怎么調(diào)整，紅色純光不再被分解其他光線。他得出結(jié)論：同一顏色屬于同一種折射率，光的色散是在不同的折射率中產(chǎn)生的。所以光是一種粒子。為此牛頓也把光的復(fù)合與分解比喻成不同顏色微粒的混合與分開，其組成部分非常的微小。但是牛頓依然無法解釋光為什么會有顏色，要破解光為什么會有顏色的問題。就得請出另一位大神。
時間來到1831年10月17日，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第，把兩條獨(dú)立的電線繞在大鐵環(huán)上，當(dāng)給其中一條導(dǎo)線在通電和斷電的瞬間，另一條導(dǎo)線出現(xiàn)了電流！然后，他讓一塊磁鐵通過導(dǎo)體線圈，線圈中也產(chǎn)生了電流！這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)永遠(yuǎn)改變了人類文明。產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。他把這種現(xiàn)象稱之為“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”后來他依照此規(guī)律，用銅盤在磁鐵中轉(zhuǎn)動，發(fā)明了人類第一臺發(fā)電機(jī)，為第二次工業(yè)革命提供了最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的同一年，在蘇格蘭愛丁堡出生了一個叫做麥克斯韋的男孩。在他23歲剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)的時候，一個偶然的機(jī)遇，看到了法拉第早年撰寫的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》。自此對法拉第崇拜不已，潛心鉆研了法拉第的研究理論，發(fā)表了題為《論法拉第的力線》的論文。并將這篇論文郵寄給了法拉第。法拉第看后十分喜愛。在1960年的時候，兩個相差40歲的人，因?yàn)殡娕c磁的研究成為了忘年交。
受到法拉第的鼓勵后，麥克斯韋決定用數(shù)學(xué)解釋電場、磁場與電荷密度、電流密度之間的關(guān)系，當(dāng)時的人很難理解，數(shù)學(xué)怎么能解釋這些復(fù)雜的電磁關(guān)系。經(jīng)過漫長的打怪升級，麥克斯韋終于創(chuàng)造了四組麥克斯韋方程式。麥克斯韋方程組，也被譽(yù)為是人類有史以來最美的物理學(xué)方程之一。然而此時精彩的故事才剛剛開始。這四個方程里面隱藏了一個天大的秘密。
麥克斯韋方程
麥克斯韋經(jīng)過計(jì)算證明：電場和磁場并非單獨(dú)存在，而是統(tǒng)一于電磁場之中。什么意思呢？如果在真空中存在一個振蕩的電場，那么在振蕩電場的周圍就會產(chǎn)生磁場，而這個磁場又會進(jìn)一步產(chǎn)生電場…如此往復(fù)，電磁場就可以向遠(yuǎn)處傳播，形成電磁波。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)電磁波在真空中的速度剛好等于光速，于是麥克斯韋大膽預(yù)言：光就是一種電磁波。
這也同時解釋了牛頓的有疑惑，光為什么會產(chǎn)生顏色，這是因?yàn)殡姶挪ㄔ诓煌煌l率震動下產(chǎn)生的。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)探明了全波段的電磁波，從短波射線到長波無線電。這些都是光，只是有的是可見光，有的是不可見光而已。牛頓說光是粒子，麥克斯韋說光是波，那么光的真面目究竟是什么？它為什么存在雙從人格。這就要回到愛因斯坦的時代，去尋找答案。
時間來到1895年，16歲的阿爾伯特·愛因斯坦，因?yàn)榭荚嚥缓细?，沒能順利進(jìn)入瑞士理工學(xué)院讀書。但是卻自學(xué)了微積分。也正是這個時候他開始思考一個更為高升的問題，光速為什么是宇宙一切物體運(yùn)動速度的上限，要是一個人以光速運(yùn)動會看到什么現(xiàn)象。對于這個問題，愛因斯坦用了10年的時間，也就是1905年的時候，年僅26歲的他發(fā)表了一篇《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點(diǎn)》的文章，總結(jié)出了一個數(shù)學(xué)方程，也正是這個方程徹底改變了人類對世界的認(rèn)知。這就是著名的質(zhì)能方程（E=mc2）。
質(zhì)能方程是描述質(zhì)量與能量之間的當(dāng)量關(guān)系的方程。E表示能量，m代表質(zhì)量，而c則表示光速。也就是說光和能量與質(zhì)量可以產(chǎn)生互換。愛因斯坦的光速不變原理認(rèn)為：當(dāng)物體的運(yùn)動速度接近光速時，它的質(zhì)量將趨于無窮大。什么意思呢？如果以光速運(yùn)動，時間就會停止。換句話說，物體的運(yùn)動速度要想達(dá)到光速，所需要的能量也是無窮大的。而人類永遠(yuǎn)無法停止時間，因?yàn)榘串?dāng)前人類的認(rèn)知來說，達(dá)到光速的可能性幾乎為零。
愛因斯坦進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)光是整個世界的最基礎(chǔ)，也是宇宙的最基本的組成部分。同時光似乎和物質(zhì)、能量以及時間有著密不可分的聯(lián)系。愛因斯坦大膽假設(shè)：光和原子電子一樣也具有粒子性，光就是以光速運(yùn)動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。根據(jù)廣義相對論，光在大質(zhì)量物體附近傳播時，由于受到該物體強(qiáng)引力場的影響，光的傳播路徑也會發(fā)生相應(yīng)的偏折。愛因斯坦認(rèn)為光是能量的一種傳播方式。
從牛頓的光是一種粒子，到麥克斯韋的光是一種波，再到愛因斯坦的光是能量的一種傳播方式等成果來看，人類似乎離光的本質(zhì)越來越近了。但這些依然只是光的初級階段。關(guān)于“光”更為古怪的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，還要從一個中國人說起。
時間來到1929年，在加州理工大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室里，時年27歲的中國物理研究生趙忠堯，用高能伽馬射線的光子束轟擊重金屬鉛，一個反常的現(xiàn)象發(fā)生了，在伽馬射線撞擊金屬鉛以后，卻產(chǎn)生了一個能量為0.5萬電子伏特的光，也就是說，趙忠堯創(chuàng)作了一條不規(guī)律的光。隨后他在將研究結(jié)果先后發(fā)表在《硬γ線的吸收系數(shù)》和《硬γ線散射》的論文中。
他認(rèn)為給真空賦予能量，會從真空中激發(fā)出一個電子，產(chǎn)生一個空穴（正電子），隨后電子又落回到空穴，也就是負(fù)電子和正電子湮滅就變成了兩個光子，說的直白些正物質(zhì)和反物質(zhì)能量相撞發(fā)生物質(zhì)湮滅，就會產(chǎn)生光。
為什么是兩個光子，而不是一個光子呢？因?yàn)檫@個光子可以朝著相反的方向射出去，這樣就能保證不僅能量守恒了，動量也守恒了。這也是人類歷史上，首次證實(shí)了反物質(zhì)的存在。雖然這個現(xiàn)象至今都沒有得到合理的解釋，但是科學(xué)家卻提出了一個更為古怪的問題，物質(zhì)湮滅能夠產(chǎn)生光，那么光能夠產(chǎn)生物質(zhì)嗎？
為了解決光是否能夠產(chǎn)生物質(zhì)的問題，我查閱的大量的資料，甚至斥巨資在某網(wǎng)下載了相關(guān)的研究文獻(xiàn)。時間來到1934年，布萊特和約翰·惠勒兩位物理學(xué)家提出了一個理論，他們認(rèn)為當(dāng)兩個高能光子發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生一個正電子和一個負(fù)電子，即形成物質(zhì)。
在理論上光是可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)的，這就是將光線轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)的最簡單設(shè)想，也被稱為布萊特惠勒效應(yīng)。然而在隨后的幾十年的研究中，科學(xué)家也一直沒有在實(shí)驗(yàn)中成功論證這個理論。后來有研究人員提出，通過“光子與光子”的碰撞機(jī)制直接合成物質(zhì)的理論，可以借助現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這將是一種全新的高能物理實(shí)驗(yàn)。說起來容易，可是做起來卻滿是不容易。
直到2021年7月30，美國設(shè)于紐約長島薩福爾克縣的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，以許長補(bǔ)為領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊(duì)，使用兩個“金”離子，在同一直線將金核加速到99.99%的光速，向相對的方向運(yùn)動，當(dāng)金離子相互通過時，圍繞離子的電磁云中的光子，就相撞到了一起。奇怪的事情發(fā)生了，光真的生成了物質(zhì)，正負(fù)電子對。這些電子和正電子的質(zhì)量分布、能量和量子狀態(tài)與布萊特惠勒效應(yīng)的分布一致。物理學(xué)家們在光子碰撞中，找到6085個具有相應(yīng)特征的正負(fù)電子對。
在一個額外的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們還檢查了碰撞過程中產(chǎn)生的光子，是否具有正常光粒子的特征，這也得到了證實(shí)。北京大學(xué)物理學(xué)院發(fā)表的一篇研究論文《光子對撞機(jī)產(chǎn)生正負(fù)電子對的數(shù)值方法》中寫到，“光子對撞”產(chǎn)生正負(fù)電子對的過程, 是由能量直接產(chǎn)生物質(zhì)的過程, 物質(zhì)的起源與光子 物理在理論的研究中有著極為重要的作用。
你是不是以為，人類對光的了解已經(jīng)很成熟了，其實(shí)這才只是剛剛開始。關(guān)于光對光的理解依舊還需要有很長的路要走?？吹竭@里，你是否已經(jīng)明白了視頻開頭，尼古拉·特斯拉說的那句“一切都是光”是什么意思了吧。那么問題來了，在120多年前，特斯拉是怎么知道“光”的秘密的呢？點(diǎn)擊觀看完整視頻
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