對光的研究起源於古希臘，在那裡，哲學家們開始思考視覺是如何工作的。柏拉圖和畢達哥拉斯等思想家認為，我們的眼睛會發出微弱的光線進行探測。這些光線將收集我們周圍物體的資訊，並以某種方式將這些資訊帶回給我們。
大約一千年後，阿拉伯數學家阿爾哈曾（Alhazen）透過提出一個簡單的問題證明了這些哲學家的錯誤：如果我們的眼睛能發光，為什麼我們在黑暗中看不見任何東西？
阿爾哈曾提出了自己的視覺理論。他認為，我們的眼睛不會創造光線而是捕捉光線。根據他的說法，我們看見物體的影象，來自於從物體身上反射到我們的眼睛裡的太陽光線。
阿爾哈曾的理論是對的，我們身邊的物體都會反射光線。
這個理論同樣可以解釋為什麼我們可以看到不同的顏色。當我們將光線照射到玻璃稜鏡上時可以看到，白光包含各種顏色的光。
例如，當白光照射到一個紅蘋果上，這個蘋果會吸收除紅光外的所有光。這樣，紅光就可以被反射到我們眼中並讓我們看到這個蘋果。
我仍然沒有解釋光到底是什麼。讓我們先看一看維基百科給出的光的定義：
光或可見光是可被人眼感知的電磁輻射。
電磁頻譜
所有的電磁輻射的頻譜被稱為電磁頻譜。可見光是波長大約在380-700奈米之間的電磁波。
電磁輻射是空間中以光速傳播的電和磁的振動。電磁波和機械波（聲波、湖面的水波等等）之間最大的區別是電磁波的傳播不需要介質（比如水或空氣）。
我們來考察一下聲波這種機械波：
我們可以看到一根杆在空氣中往復運動。相應的，空氣粒子（黑點）也開始運動。它們之所以這樣運動，完全是由於壓力的作用。
粒子密度越大，壓強就越大；粒子密度越低，壓強就越小。粒子總是從高壓區域移動到低壓區域。可以想象一個氣球：對於吹飽的氣球，氣球內部的壓強高於氣球外部的壓強（相同空間量下的空氣粒子數）。當你鬆開氣球的末端時，空氣粒子將被推出氣球，氣球將會收縮。這表明空氣顆粒從高壓區域移動到低壓區域。
如果仔細觀察移動的粒子，您可能會注意到每個粒子都在兩個依次出現高壓的區域之間來回移動。正是這種運動產生了波動。粒子本身不會從運動的杆那裡移動到人的耳朵，但杆的能量可以。機械波只傳輸能量，不傳輸質量。這些波需要介質中的粒子來傳輸能量，然後這些粒子再把能量傳遞給其他粒子。機械波的另一個形象的例子是倒下的多米諾骨牌。
正如前面提到的，電磁波的傳播不需要介質，它們可以在真空中傳播。
電磁波
電和磁是相輔相成的。甚至有一整個物理學的學科來專門研究它們之間的關係，那就是電磁學。
任意移動的電荷都會產生磁場。例如，當電流在直導線中運動，導線周圍就會形成一個電磁場。
如果想增強磁場的強度，那麼你可以把導線繞成線圈。這正是電磁鐵的基本工作方式。
變化的磁場同樣可以產生電場，進一步可以產生電流。
電流只有在磁鐵運動（磁場變化）的時候才會產生。
既然知道了電和磁之間的基本關係，我們就可以重新思考電磁波了。
創造電磁波 | 加速電子
一個加速的帶電粒子（如一個電子）會產生一個電場，它的運動也可以產生一個磁場。這個磁場會進一步產生另一個電場，電場又會產生新的磁場，電場和磁場就會這樣彼此激發下去。結果就是在空間中產生一個高速傳播的電磁波。
思緒有點跟不上了？別擔心，我們來看一看接下來的解釋：
加速電子可以透過在電線（天線）的中心放置交流發電機來實現，這可以在導線中產生交變電流。前面我提到過，電荷的任何運動都會產生磁場。因為我們的電線中有電荷運動，所以電線周圍會形成磁場，磁場周圍會形成另一個電場，周圍的電場將再形成另一個磁場。於是產生了一個自發的、隨時間變化的電場和磁場互相激發的過程，電場和磁場會傳播到距離天線越來越遠的地方。這樣我們就產生了電磁波。
電場和磁場之間總是相互垂直的。
上面的圖只表現出電場線或磁場線中的一條。真實的電磁波可以用下圖表示。向量 代表電場，向量 代表磁場。
現實中，從天線出發的電磁波會向各個方向傳播。
透過控制電流在天線內改變方向的速度，我們可以控制電磁波的頻率。頻率越高，波的壓縮程度越高（波長越小）。波的頻率不影響波本身的傳播速度。傳播速度始終等於光速。
創造電磁波 | 激發電子
使用天線並不是產生電磁波的唯一方法。電子從原子中的高能量狀態躍遷到低能量狀態同樣可以發出電磁波。可以看到，在原子內部，電子圍繞原子核執行。電子離中心越遠，其能級越高。
我們可以透過多種方式來向原子注入能量使電子遠離原子核。但是，這種狀態是不穩定的，被激發的電子將不可避免地回到其初始的能量狀態。剩餘的能量（發射能量）隨後以光子的形式釋放。根據電子釋放能量的大小，光子也會攜帶或多或少的能量。
但，什麼是光子？光子是一種沒有靜質量的粒子，它代表光最小離散的能量。當一個粒子的質量足夠小時，它就會表現出像波一樣的特性。光子沒有靜質量，所以它表現得像波一樣。但是，之前我們都說光是由電磁波構成的，現在為什麼突然把它看成粒子了？
為了更好地理解這一點，我們必須回顧一下持續了幾個世紀的關於光是波還是粒子流的爭論。
是波還是粒子？
17世紀，艾薩克·牛頓進一步發展了微粒理論。在這個理論中，光是由微小光粒子組成的。這些粒子以光速進行直線運動。他可以利用這個理論來解釋光的反射和折射。但是，微粒理論不能解釋光其他所有的性質。例如，光會產生干涉圖樣。當兩個（或更多）波相互干涉時，這些圖樣就會產生。粒子流不能形成干涉圖樣，只有波的干涉可以產生。此外，不同波長的波可以解釋為什麼可以看到各種不同的顏色，這是為什麼光應該是波而不是粒子流的另一個原因。基於一些類似的實驗，荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯的波動論被廣泛接受；在19世紀，詹姆斯·麥克斯韋甚至可以證明光是一種以光速在空間中傳播的電磁波。
但是，到了20世紀，像愛因斯坦等科學家做了一些新的實驗。這些實驗似乎表明光實際上是由粒子流組成的。他們做的最重要的實驗與光電效應有關：當我們將光線照射到金屬上時，就會產生光電效應，電子會從金屬表面發射出來。
這些實驗之所以特別，是因為當你增強入射光的光強，發射出的單個電子的能量不變。光強只會改變發射出來的電子數。光強越強，發射的電子越多。如果光是波的話不可能發生這種情況。因為，當波照射到電子上後，電子會從光波中吸收能量，同時抵消掉這部分光。這意味著增加光強可以增加每個發射電子的動能。
這個實驗的結果讓科學家感到很困惑。為了更好地瞭解發生了什麼，他們保持入射光光強不變，但改變光的頻率（不同的顏色）。結果表明，頻率越高，發射電子的動能越高。
多虧了這些實驗，使得愛因斯坦能夠解釋到底發生了什麼。他說，光不僅僅是一種波，它由被稱為光子的離散波包組成。當光子有足夠的能量時，它可以讓電子從金屬中溢位。光強越大，越多的光子射向金屬表面，因此從金屬中發射的電子也就越多。光的頻率越高，每個光子的能量越高，導致發射的電子具有更高的動能。
最後的思考
總之，光既是一種波，同時也是一種粒子流。在量子力學中，這被稱為波粒二象性。阿爾伯特·愛因斯坦在解釋完光電效應後寫道：
我們好像有時必須使用一種理論，有時必須使用另一種理論，而有時我們可以使用其中任意一種。我們面臨著一種新的困境。我們對現實有兩種相互矛盾的看法；它們各自都不能完全解釋光的現象，但把它們結合在一起，就可以解釋光是什麼了。
——愛因斯坦
作者：Maarten De Baecke
圖片來源見原文
翻譯：Nothing
審校：zhenni
原文連結：https://www.cantorsparadise.com/but-what-is-light-7bd0c3309ffa
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
編輯：zhenni
