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. 我們相信,對于光是什么這個問題,很多人都會回答:光是太陽發(fā)出的東西. 但這并沒回答我們真正想要問的問題. 我們真正想要了解的是光本身究竟是什么?

三位歷史上曾經(jīng)對光的理解做出巨大貢獻(xiàn)的物理學(xué)家(見圖1). 在較早期時代,大科學(xué)家牛頓認(rèn)為光是一束顆粒. 為什么會這樣說? 因?yàn)楣庖灾本€行走,而且我們可以將光束分成很多部分. 你可以阻擋部分的光,而剩余的部分會穿透. 另一些科學(xué)家,如胡克(Hooke),惠更斯(Huygens)則認(rèn)為光是波,而非顆粒. 光是波這種說法有點(diǎn)兒奇怪,似乎采用了一個不太自然的角度來看光. 很顯然,微粒說和波動說是兩種很不相同的理論,哪一個才是正確的呢? 也就是說,哪一個理論能夠圓滿解釋光的現(xiàn)象?

圖1 三位歷史上曾經(jīng)對光的理解做出巨大貢獻(xiàn)的物理學(xué)家

折射(refraction)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(jìn)的方向會彎曲,更垂直玻璃的表面(見圖2). 我們?nèi)绾谓忉尮獾恼凵洮F(xiàn)象呢? 根據(jù)牛頓的粒子理論,當(dāng)光線照射到界面(interface)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(jìn)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. 所以,光線會折向另一面,這就是微粒理論(corpuscular theory)對折射的解釋(見圖3左圖). 但按照胡克和惠更斯的波動理論(wave theory),光就是波. 當(dāng)波照射在界面上時,波會在媒體內(nèi)減慢速度,使波前(wave front)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(見圖3右圖).請注意,這兩種理論好像有很不同的結(jié)論. 在粒子理論中,光在媒介里的速度比較快;但在波動理論中,光在媒介里的速度卻比較慢. 由此可見,這兩個理論會有很不同的結(jié)果和預(yù)測. 究竟哪一個才是對的呢? 在科學(xué)界,我們會利用實(shí)驗(yàn)來作判斷. 你可以提出不同的理論,得到不同的結(jié)論,但這些都必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)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. 雖然用波動理論來看光不是一件很自然的事,但這個理論卻反映了真實(shí)的光,即光就是波.

圖2 光從玻璃片經(jīng)過時折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)圖景

圖3 光折射現(xiàn)象的微粒理論和波動理論的解釋示意圖

波動理論除了能夠解釋光在媒介內(nèi)會減慢速度外,還有更加奇妙的預(yù)測. 當(dāng)光是波時,光就會有一種現(xiàn)象,稱為干涉(interference)現(xiàn)象. 當(dāng)你將兩個波并排疊加時,即波峰(peak)對著波峰、波谷(trough)對著波谷,便會形成一個較強(qiáng)的波(見圖4(a)). 但如果你將兩波調(diào)校至波峰對著波谷而波谷對著波峰時,把兩波合起來便會互相抵消,什么都沒有了(見圖4(b)). 這就是波的一個非常特別的性質(zhì). 在光的粒子理論里,就沒有這個現(xiàn)象.

圖4 光干涉現(xiàn)象的示意圖

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(qiáng)度會增加;但在光的波動理論中,當(dāng)我們將兩個波同樣地放在一起,光的強(qiáng)度可能會增加或減少,這取決于它們?nèi)绾闻帕? 如果光的強(qiáng)度增加,這便稱為相長干涉(constructive interference);相反,如果光的強(qiáng)度減少,這便稱為相消干涉(destructive interference)(見圖5).

圖5 光的相長干涉和相消干涉示意圖

人們可以通過以下牛頓環(huán)(Newton's ring)這個實(shí)驗(yàn)來觀察光的干涉現(xiàn)象. 在這個實(shí)驗(yàn)里,我們會把凸玻璃置于另一塊平面玻璃上,這樣它們之間就有細(xì)少的空氣層(見圖6). 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,波谷對著波谷排列的話,相長干涉便會發(fā)生. 但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(in-phase)的. 當(dāng)光線遠(yuǎn)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(見圖7). 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(shí)驗(yàn)讓我們看到了光就是波的實(shí)驗(yàn)證據(jù).

圖6 觀察牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 用綠色光拍到的牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)圖景

以上實(shí)驗(yàn)采用的是綠色光,但假如你改用白色光,你仍然可以看見環(huán)帶,而且還有顏色(見圖8). 當(dāng)你仔細(xì)地看亮環(huán)的外緣時,你會發(fā)現(xiàn),顏色是紅色和黃色,為何會是這樣呢? 這原因就是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(yuǎn)離中央. 對于藍(lán)光而言,相消干涉首先發(fā)生,藍(lán)光暗環(huán)較為靠近中央. 這時,我們看不見藍(lán)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.

圖8 用白光拍到的牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)圖景

這個實(shí)驗(yàn)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. 其實(shí),我們眼睛所看見不同的顏色出自于不同的波長(見圖9). 牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)告訴我們,藍(lán)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(lán)光,波長較長的是紅光. 可以說,從顏色到干涉,波動理論都能夠圓滿地解釋很多光的現(xiàn)象.

圖9 不同顏色的光具有不同的波長

但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)生的呢?

2 光的傳播媒介和偏振

由于光能穿過真空(vacuum),這使我們很難理解為什么光是波. 如果你問老師:什么是真空?他會回答:真空就是沒有任何東西. 假如真空真是什么都沒有,那么真空中的光怎么可能是波呢? 反之,將光看為粒子會較容易理解. 因?yàn)榱Ｗ邮且恍┪覀兎旁谡婵绽锏臇|西. 因此,當(dāng)粒子穿過真空時,確實(shí)有一些東西出現(xiàn),這就是光了.

可是,實(shí)驗(yàn)卻告訴我們,光并不是粒子,而是波. 假如你真的相信實(shí)驗(yàn),真的相信光是波,這就意味著真空不是什么都沒有. 因?yàn)椴ū仨氁擅浇閬沓休d,波是媒介的振動. 所以將真空想象為海洋會比較恰當(dāng),而我們就好像海洋里的魚. 由于我們生活在海洋里面,我們就自然不會感到水的存在. 若用這個海洋圖像,就會容易明白光的波性. 海洋里的水的振動會產(chǎn)生波,這就是光波了(見圖10). 至于海洋里的氣泡、魚和其他的東西那就是物質(zhì). 這種可以承載光波的媒介(medium),我們稱之為以太(ether). 引入以太這種媒介之后,我們得到一個能幫助理解光波的很好的圖像. 但是,光的故事并不如此簡單. 光波是一種有特殊結(jié)構(gòu)的波. 它其實(shí)并不能被看成是液體中的波.

圖10 海洋里的光波圖像

我們是如何發(fā)現(xiàn)光波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢? 有些特別的晶體,它們會有一種現(xiàn)象稱為“雙折射”(double refraction). 當(dāng)你將晶體放在報紙上,你可以看見上面的字有雙像(double image)的效果(見圖11). 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(shí),在人們肯定光是波之前,牛頓曾試圖用粒子理論來理解雙折射現(xiàn)象. 他假設(shè)有兩種光粒子,所以它們有不同的折射.

圖11 光的雙折射或雙像現(xiàn)象

我們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(vibration),那么波的不同振動方向就代表不同的波. 如圖12所示,光有兩種振動:垂直振動和水平振動,人們對這“兩種不同的振動”或“兩種不同方向的振動”,用一個科學(xué)名詞———偏振(polarization)來稱謂. 雙折射晶體對這兩種偏振有不同的影響,導(dǎo)致其不同的速度. 由于這兩種偏振有不同的速度,它們彎曲的程度亦不同,故有不同的折射. 因此,雙折射現(xiàn)象或雙像現(xiàn)象揭示了光的另一種秘密:光不只是波,而是帶有偏振的波. 我們說有兩種光,即有兩種偏振方向的光.

圖12 光波中的兩種振動方向:垂直振動和水平振動

此外,偏振也可以透過偏振分光鏡(polarizer)來檢測. 天然的光包含兩種方向的偏振. 偏振分光鏡只準(zhǔn)許某一偏振的光穿過,而阻擋其他方向的偏振的光. 如圖13所示,當(dāng)帶有隨機(jī)偏振的天然光通過偏振分光鏡時,所通過的光線,只會在某一方向振動. 如果你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. 由于振動方向垂直于傳播(propagation)方向,因此,這種偏振就稱為橫向(transverse)偏振. 這種波就稱為橫波(transverse wave).

圖13 利用偏振分光鏡檢測光的偏振性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖14 在液體里,粒子是隨機(jī)分布的

這種對光波有兩種橫向偏振(transverse polarization)的認(rèn)識導(dǎo)致如下一個結(jié)論. 先前我們假設(shè)真空是可以承載光波的以太,但這以太不可能是液體(liquid). 這是因?yàn)樵谝后w里,粒子是隨機(jī)分布(random distribution)的(見圖14). 在液體里的波,是由壓縮(compression)和解壓縮(decompression)引起的. 當(dāng)你擠壓它,它會具有較高密度;但當(dāng)你解壓它,它會有較低密度,這就產(chǎn)生了波. 當(dāng)你擠壓或解壓時,液體中粒子的振動的方向是與傳播方向一樣. 這種偏振叫縱向偏振(longitudinal polarization),其對應(yīng)的波叫縱波. 要產(chǎn)生橫波,我們須對媒介進(jìn)行剪切變形(shear deformation). 但這很難在液體里進(jìn)行. 因?yàn)橐后w中的粒子是隨機(jī)分布的,當(dāng)你剪切變形隨機(jī)分布的粒子時,粒子仍然是隨機(jī)分布的,沒有任何改變. 也就是說,在液體里進(jìn)行剪切變形,將不會引發(fā)任何變化. 所以,液體只有縱波,沒有橫波(見圖15). 因此,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.

圖15 液體只能承載縱波,不能承載橫波

既然排除了以太是液體的說法,那么認(rèn)為以太是固體(solid)會不會行得通呢? 在固體里,粒子排列成有規(guī)律的列陣. 當(dāng)你剪切變形粒子列陣時,你便會得到不同的形狀. 在固體里,確實(shí)有一種波擁有與傳播方向垂直的振動,就是前面提及的橫波. 所以,以太有可能是固體. 但是從另一角度看,固體是可以被擠壓或解壓的. 固體不但有橫波,還有縱波 (見圖16). 可是,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.

圖16 固體能承載縱波和橫波

只有兩種橫模,而沒有縱模,說明光波不是普通的波. 它是非常特別的波. 由于這些特別的性質(zhì),只有縱波的液體和同時擁有縱波和橫波的固體,都不能成為可以承載光波的媒介. 這使我們陷入迷惘:我們知道光是波,但究竟什么媒介里的波才是光波呢?它不是液體里的波,也不是固體里的波. 我們被困住了! 其實(shí),人們還嘗試推測了很多其他的東西,但沒有一樣物質(zhì)可以支撐這種帶有兩種橫向偏振的光波. 所以,我們完全被困住了,仿佛完全無能為力了!很多人都放棄了以太的構(gòu)思,恐怕是因?yàn)椴恢朗裁疵浇槟艹休d光波,因而認(rèn)為這種媒介是不存在的. 但亦有人鍥而不舍,堅(jiān)持發(fā)問,最后終于發(fā)現(xiàn)可以承載只有兩種橫模的光波的媒介. 在科學(xué)界,這是屢見不鮮的事,然而轉(zhuǎn)折點(diǎn)往往來自一些意想不到的地方. 山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村. 光的故事亦不例外.

3 光是一種電磁波

要發(fā)現(xiàn)可以承載只有兩種橫模的光波的媒介,我們要對光的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更深入的了解. 這段新的故事,始于一個意想不到的地方. 在知道光是波之前很多年,人們已發(fā)現(xiàn)了一些具有磁性特質(zhì)的物質(zhì),它們能指向北方,這就是指南針(見圖17左圖). 人們可以定量地研究這些磁性物質(zhì),人們發(fā)現(xiàn),一個磁石會作用于另一磁石上. 所以,磁性物質(zhì)會互相作用(interaction). 在圖17右圖中,可清楚看到這種作用,微小磁性物質(zhì)是如何分布在磁石周圍的. 假如你將一些鐵粉濺撒在磁石的周圍,你便會得到這些線. 然而,如何理解磁性物質(zhì)間的相互作用呢? 雖然磁石之間沒有任何東西,但它們?nèi)匀换ハ嘧饔?像有一種神秘的超距力量,這使科學(xué)家們感到十分好奇. 有些人如法拉第,他不相信會有超距作用,他認(rèn)為對象必須觸碰才能互相作用. 但明顯地,那兩塊磁石并沒有觸碰. 所以,法拉第便認(rèn)為磁石的周圍,可能有一些力的場,這些力場觸碰另一塊磁石. 雖然我們看不見力場(force field),但它們是存在的. 透過接觸磁石的力場,磁石之間便會互相作用(見圖18).

圖17 左圖為司南———指南針;右圖為磁鐵及其周圍的鐵粉

圖18 兩個磁石之間的相互作用

其實(shí),力場的構(gòu)思并不是什么新想法. 很多人相信,一些有魔力的人就會擁有這種“場”或“光環(huán)”(見圖19). 在科學(xué)界,磁石亦是一種有魔力和力場的物質(zhì),這種力場被稱為磁場(magnetic field). 根據(jù)上文的描述,兩塊磁石之所以能互相作用,是由于磁石周圍的磁場接觸另一塊磁石,故能夠互相作用.

圖19 法拉第提出用“力場”的概念來解釋超距現(xiàn)象

另一種現(xiàn)象,亦是在很久之前便為人類所發(fā)現(xiàn),就是電(electricity). 例如,夏季暴風(fēng)雨所帶來的閃光,這些光是由電造成的. 當(dāng)人們認(rèn)識到用布摩擦琥珀(amber)可以產(chǎn)生電荷(charge)時,我們可以對電做更加定量化的實(shí)驗(yàn)和認(rèn)識. 這讓人類進(jìn)入一個嶄新世界. 在拉丁文里,“electricus”意思是“透過摩擦琥珀來產(chǎn)生”(它是William Gilbert于1600年以拉丁文形式造的新詞,不是原拉丁文里有的詞). 所以,“電”這個名詞確實(shí)是來自摩擦琥珀. 當(dāng)一支琥珀棒經(jīng)過摩擦后,它便會帶上電荷. 和磁石類似,一支帶電的琥珀棒可以和另一支帶電的琥珀棒互相作用. 電荷也可以不用通過接觸來互相作用. 這種電荷的超距互相作用,表明電荷也會產(chǎn)生力場,這種電荷產(chǎn)生的力場被稱為電場(electric field). 一個電荷產(chǎn)生的電場會與另一個電荷接觸而互相作用.

最初,電(electricity)和磁(magnetism)被視為兩種分開獨(dú)立的現(xiàn)象. 后來,當(dāng)人們將它們仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn),這兩種現(xiàn)象是彼此互動相關(guān)的. 人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有電流通過電線時,流動的電荷可以在電線周圍產(chǎn)生磁場. 既然流動的電荷可以產(chǎn)生磁場,那么移動的磁石呢? 答案是:移動的磁石可以產(chǎn)生電流. 我們可以用一條電線、一塊磁石和安培計(jì)(ammeter)做實(shí)驗(yàn). 安培計(jì)是用來量度有多少電流通過電線. 如圖20所示,假如你將磁石移動并通過電線,電流便會產(chǎn)生. 移動的電荷產(chǎn)生磁場,而移動的磁石會導(dǎo)致電流.

圖20 電和磁彼此互動相生的實(shí)驗(yàn)示意圖

物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell,見圖21)為上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了總結(jié). 事實(shí)上,我們必須在最基本的層面上理解這種現(xiàn)象的核心. 我們知道移動的電荷會改變電場,而移動電荷所產(chǎn)生的磁場實(shí)際上是由變化的電場產(chǎn)生的. 類似地,移動的磁石會改變磁場,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. 要明白變化的磁場會產(chǎn)生電場,我們要考慮當(dāng)磁石移向金屬環(huán)時的情況. 我們在圖20的右圖中可以看到,環(huán)中心位置的磁場增加,環(huán)中心增加的磁場會產(chǎn)生環(huán)繞著環(huán)的電場. 這環(huán)繞著的電場迫使電線里的電子流動,產(chǎn)生了電流. 這就解釋了為何移動的磁石可以產(chǎn)生電流.

圖21 物理學(xué)家麥克斯韋的畫像

電生磁,磁生電. 這實(shí)在是非常有趣的事情. 電場引致磁場和磁場引致電場這種現(xiàn)象會引申出非常重要的結(jié)果,即預(yù)言了波的存在. 如何理解這種被稱為“電場和磁場的波”呢? 就讓我們想象這里有一個正電荷和一個負(fù)電荷. 我們知道當(dāng)一個正電荷與另一個負(fù)電荷重合時,它們相互抵消而不產(chǎn)生電場. 當(dāng)我們將兩種電荷分開時,電場E 會圍繞著電荷(見圖22),故電場增加. 根據(jù)麥克斯韋定律,變化的電場E 會導(dǎo)致環(huán)繞電場的磁場B. 由于這磁場正在改變或增加,其繼而導(dǎo)致環(huán)繞磁場的電場,如此類推(見圖23). 因此,電生磁,磁生電,我們看到傳播的電場和磁場,這就是電磁波(electromagnetic wave)了. 其實(shí),實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家早已經(jīng)對電場引致磁場或磁場引致電場作出了很多定量的實(shí)驗(yàn). 麥克斯韋建立了方程式來描寫這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 麥克斯韋用他的方程可以計(jì)算出電磁波的速度. 他發(fā)現(xiàn),電磁波和光波擁有同樣的速度. 他因而下了一個結(jié)論:光波就是電磁波.

圖22 一對正、負(fù)電荷周圍的電場分布

圖23 變化電場產(chǎn)生變化的磁場,形成電磁波的示意圖

我們沒想到能通過學(xué)習(xí)電和磁會對光波內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更深入的理解. 這種理解在科學(xué)發(fā)展上十分重要,代表了電、磁和光現(xiàn)象的統(tǒng)一(unification). 試回想我們最初的起步點(diǎn),物理學(xué)家們對現(xiàn)在的這一大統(tǒng)一的結(jié)果十分滿意. 雖然電、磁和光好像是三種如此不同的現(xiàn)象,但它們只是同一事物的不同方面,讓我們眼界大開. 光的電磁理論可以解釋光的偏振. 如圖23所示,光在水平方向傳播,但電場和磁場代表著的振動方向卻是垂直于傳播方向的. 所以,電磁波是橫波,其兩種偏振都是橫向的.

光的電磁理論使我們對光已有了十分深入、全面和詳細(xì)的理解. 但我們的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. 在這里要更具體地指出:電場和磁場描繪的只是光波的振輻(amplitude). 強(qiáng)的電場對應(yīng)強(qiáng)的光和強(qiáng)的振動. 但我們并不知道什么東西的振動對應(yīng)于電場?對于一些曾修讀過電磁學(xué)的人,也許有過下述跟我一樣的經(jīng)歷. 當(dāng)我第一次看見麥克斯韋方程組(Maxwell equations)時,我會自然地問什么東西的振動對應(yīng)于電場,腦子里充滿了問號. 經(jīng)過老師反復(fù)教導(dǎo),課本反復(fù)論述,我開始接受,電場就是電場,磁場就是磁場. 慢慢地,我忘記了一開始的問題:到底什么東西的振動對應(yīng)于電場. 然而,發(fā)問的精神是非常重要的,盡管很多人認(rèn)為這是一個無知的問題,但無知的問題往往是開啟睿智心靈的鑰匙.

4 光是弦網(wǎng)液體中的波

什么東西的振動對應(yīng)于電場和磁場? 什么東西的振動對應(yīng)于光波? 總結(jié)我們面臨的困境和問題:液體行不通,因?yàn)樗挥锌v波;固體也行不通,因?yàn)樗瑫r有縱波和橫波. 我們不知道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?這里我想強(qiáng)調(diào)一個關(guān)鍵的要點(diǎn):為何液體和固體里的波有所不同. 這是由于液體里的粒子和固體里的粒子有不同的組織(organization). 不同粒子的組織造成不同種類的波,這就被稱為演生原理(principle of emergence). 在凝聚態(tài)物理(condensed matter physics)中,演生是一個重要概念. 演生原理強(qiáng)調(diào),粒子的組織是重點(diǎn). 要了解不同物質(zhì)的性質(zhì),我們首先需要了解物質(zhì)里的粒子是如何組織的. 液體和固體是很好的例子,可以用來說明這一演生原理.

在液體里,粒子是隨機(jī)分布的,所以它們是隨機(jī)組織的. 當(dāng)粒子隨機(jī)組織時,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(jī)組織只有縱波,而沒有橫波. 這也解釋了為什么液體沒有形狀. 在固體里,粒子排列成有規(guī)律的列陣,是一個不同的組織. 不同的組織會導(dǎo)致不同的波. 擠壓變形和剪切變形都能改變組織的構(gòu)型(即粒子的排列). 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.

從這個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(diǎn). 我們應(yīng)該問:什么樣的粒子組織可以產(chǎn)生擁有兩個橫模的波呢? 假如粒子隨機(jī)分布,便會成為液體,這是行不通的;假如粒子排列成有規(guī)律的列陣,便會成為晶體,也是行不通的. 什么樣的組織才行得通? 事實(shí)上,這個問題困擾了我們一百多年. 直至近年,我們才找到了答案. 我們發(fā)現(xiàn)了一種粒子的組織,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(string),就好像聚合物(polymer)一樣. 這些弦充滿了整個空間而形成弦網(wǎng)(見圖24左圖). 但這并不是全部!弦網(wǎng)隨機(jī)地、波動地漲落著,與液體相似. 實(shí)際上,我們也可以說粒子的位置在液體中是隨機(jī)地、波動地漲落著. 因此,波動和隨機(jī)漲落的弦網(wǎng)被稱為弦網(wǎng)液體(string–net liquid). 我們想了解,弦網(wǎng)液體里的波會是怎樣的呢?

圖24 弦網(wǎng)液體及其所形成的弦密度波

在粒子隨機(jī)分布的液體里,波動只能是粒子密度波,其對應(yīng)于一個縱波. 同樣地,在弦網(wǎng)隨機(jī)分布的弦網(wǎng)液體里,波動也是密度波———弦密度波. 在弦網(wǎng)液體里,有些地方會有較多的弦,但有些地方會有較少的弦,這就是弦密度波(見圖24右圖). 不同于粒子,弦是有方向性的. 所以弦密度是由一個矢量(vector)來描寫的. 弦的方向就是矢量的方向. 我們注意到,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. 因?yàn)橄颐芏炔ǖ倪\(yùn)動方向就是弦密度的變化方向,所以弦的方向(即弦密度矢量的方向)總是垂直于弦密度波的運(yùn)動方向. 這表示弦密度波是一個橫波. 而且,只有橫波,沒有縱波.

我們終于找到了以太. 根據(jù)定義,以太是一種可以承載著有兩種橫向偏振波的媒介. 弦網(wǎng)液體就是這樣的媒介,它就是以太. 而弦網(wǎng)液體中的弦密度波就是光波(電磁波). 其實(shí),弦密度矢量對應(yīng)于電場:弦越多的地方,代表電場越強(qiáng),弦的方向就是電場的方向. 弦網(wǎng)液體解釋了光、電、磁的起源.

你也許會問: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. 但是,其他媒介也有可能產(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(jìn)一步的研究表明,弦網(wǎng)液體不僅能解釋光的起源,還能解釋電子和其他基本粒子的起源. 這說明我們的真空也許真是弦網(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. 在圖25中,有兩個電荷. 你可以數(shù)數(shù)看這兩點(diǎn)是27條弦的末端,這兩個粒子各帶27個單位的電荷. 由于電荷是弦的末端,電荷的量子化也因此能被解釋.

在正電荷和負(fù)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(qiáng)的電場. 另一個區(qū)間里只有較少的弦網(wǎng),所以只有弱的電場. 假如你學(xué)過電磁學(xué)或電學(xué)便會知道,這不過是兩個電荷的電場! 所以,這幅弦網(wǎng)的圖畫(圖25),確實(shí)反映了兩個電荷周圍的電場.

圖25 電荷就是弦的末端

前文提及,根據(jù)麥克斯韋的觀點(diǎn),正電荷和負(fù)電荷分開合并振動時,可以產(chǎn)生電磁波. 我們可以通過弦網(wǎng)圖像來理解這一現(xiàn)象. 假設(shè)有兩個電荷,我們可以分開或合并它們. 當(dāng)你把它們分開時,就會產(chǎn)生很多弦網(wǎng). 當(dāng)你把它們合并起來時,弦網(wǎng)沒有足夠的時間返回變?yōu)榱? 有些弦網(wǎng)綴落后,它們便會形成封閉的圈,朝著遠(yuǎn)離的方向傳播. 這就是電磁輻射(electromagnetic radiation)的弦網(wǎng)圖像(見圖26). 這幅圖像反映了另一種統(tǒng)一,即光與電子的統(tǒng)一. 標(biāo)準(zhǔn)的教科書不會將光和電子放在一起討論. 但弦網(wǎng)液體的圖像就不同了,光與電子其實(shí)是一樣?xùn)|西的兩方面. 中心對象是弦,光是弦的運(yùn)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性以及電子的電荷,它甚至可以解釋電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)性質(zhì)[2]. 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(fèi)米統(tǒng)計(jì)!

圖26 電磁輻射的弦網(wǎng)圖畫

我們討論了液體、晶體和弦網(wǎng)液體這三種粒子的組織. 我們也可以將這三種形態(tài)看作三個不同的宇宙. 試想可能在某個其他的宇宙里,真空就是像海洋的液體. 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(shí)驗(yàn),我們將不會看到雙折射,因?yàn)椤肮狻痹谶@里只有一個縱模. 但假如在另一個宇宙里,真空是晶體. 在這個宇宙里,“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(triple refraction)現(xiàn)象. 回到我們的宇宙里,光只有兩種偏振,所以我們只有雙折射. 我們觀測到的雙折射現(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,我們對液體和晶體這兩種由粒子形成的組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分熟悉. 有很多材料都可以實(shí)現(xiàn)這兩種組織結(jié)構(gòu). 如液態(tài)組織可通過液氦(Helium)來實(shí)現(xiàn),晶態(tài)組織可通過晶體硅(Silicon)來實(shí)現(xiàn). 但在現(xiàn)實(shí)的凝聚態(tài)物理學(xué)研究中,我們遇到一個重大的挑戰(zhàn)是,尋找一種可以實(shí)現(xiàn)弦網(wǎng)液體的材料. 但可惜,我們至今還未發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì). 如果你能找到這種材料,將會是很有趣的事情,因?yàn)檫@種材料將與我們的真空極相似. 當(dāng)你手里拿著這種材料,你就“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,如玻璃、細(xì)胞和地球,或者是一些會思考光和電子的起源問題的智慧生物. 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). 可以說,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,讓我們可以不斷地站在新的科學(xué)前沿,嘗試揭開宇宙的奧秘.