光是粒子还是波浪？科学思维揭示光的本质

首先，我们来看什么是“光”。远古时，人类看到太阳、月亮从远处发出光，看到光反射和折射的现象，就开始想要建立模型和理论来解释观察到的这些现象。在15和16世纪，有人提出“光是一连串粒子”的观点，这个观念可以用来解释某些物理现象，却不能圆满地解释其他现象。到了17世纪，又有人提出“光是一连串光波”的观点。同样地，这个观点可以用来解释某些物理现象，不能圆满地解释其他现象。20世纪，因为相对论和量子论的发展，物理学家认为光可以被看成兼具粒子和波浪的特性，这样才能一贯地解释更多物理现象。

也许有人会忍不住抗议：“请诸位物理学家弄清楚，一是一，二是二，光到底是什么东西？”实际的情况是：相对论和量子论都是20世纪物理学发展出来的两个理论的支柱，也经过很多次验证，但这两个理论还是有不能完全相容的地方，所以许多物理学家，包括爱因斯坦和霍金，都曾经寻求建立更广泛的理论架构来解释不同的物理现象。爱因斯坦发表了“相对论”的文章后，剩下的大半辈子就想要建立一个“统一场论”的架构，把古典重力学和电磁力学结合起来，但是没有成功。霍金和很多人都想要把重力学和量子力学结合起来从事量子重力学的研究；超弦理论也是一个重要的模型。所以，光到底是粒子还是波浪，这个问题可能无法强求出一个非一即二的答案。

回过头来继续谈“光”。古时候，因为测量仪器精密度不够高，大家以为光的速度是无限大的。17世纪，一位丹麦的天文学家证实了光的速度并非无限大。现在我们量度出来的结果是，光在真空中的速度大约是每秒3亿米，通常都用英文字母“c”代表光的速度。

大家应该都听过，按照爱因斯坦的“特殊相对论”，任何移动物体的速度都不能超过光的速度。为什么？首先，我们得介绍被称为世界上最有名的公式——能量和质量交换的公式E=mc2。2005年全球庆祝爱因斯坦发表这个公式100周年，台北的101大楼还在外墙用灯光排出这个公式。在这个公式里，E是能量，m是质量，c2就是光速度的平方。这个公式指的是能量和质量可以互换，c2是转换的常数。能量和质量可以互换这个观点并不是开始于爱因斯坦，牛顿和其他的物理学家也提过这个观点，不过，爱因斯坦是正确把这个公式导出来的第一人。(www.xing528.com)

这个公式说，1公斤的质量可以转变9×1016焦耳的能量。我们知道，公斤是质量单位，焦耳是能量单位。让我用一个非常简单的例子，帮助大家了解这个转换公式的用意。如果用R代表人民币，用A代表美元，A=6R这个公式就表示一美元可以换成6元人民币，6就是转换常数。所以，E=mc2是说一单位的质量可以换成c2那么多单位的能量。你不但马上会说“我懂了”，还会说“一点的质量就会转换成很多的能量”，因为c2是个很大的数字。没错，把1公斤的水换成能量，大约是两万兆卡路里，等于燃烧几千万公升汽油的能量，这就是原子弹和核能发电厂的基本原理。

在物理演变过程中，当两个核子合起来成为一个比较重的核子时，如果这个核子的质量小于原来两个核子质量的总和，质量的差额就会变成能量放出来，而且的确会是很大的能量。至于怎样把两个核子合起来成为一个核子，正是第二次世界大战时物理学家制造原子弹的研发过程。

爱因斯坦导引的公式E=mc2为我们证明了能量和质量是可一而二、二而一的。接着我来解释，为什么按照相对论，一个物体的速度不能超过光的速度。