量子领域的最新进展，在量子世界，对于光子来说时间可能不存在！

量子领域的最新进展，在量子世界，对于光子来说时间可能不存在！

什么是光速不变？爱因斯坦的狭义相对论为何让光失去了时间属性？

光让我们看见了世界，但对于光子来说，诞生和死亡却只在一瞬之间

新生的宇宙充满了无限的能量，嗡嗡作响、涌动个不停。

即便在几分钟前，狂热的炉火逝去之后，

整个宇宙的温度仍然高达一亿度以上。

这种原始热度持续燃烧了数千年，随后构成了一个等离子宇宙，一种由粒子和辐射组成的超高温混合物。

直到宇宙诞生四十万年后的某一天，一个奇异点让整个宇宙发生了改变，那时，温度已经降至到了约三千开尔文。

在这个现在相对温和的混合物中，游荡了几十万年的电子和质子终于相遇了，它们好似干柴和烈火般牢牢地粘在一起，就这样形成了第一个原子。

当然，它们在结合在一起的时候，会释放出一小部分的能量。

这是一种在氢原子形成过程中诞生的能量包，这些能量包以宇宙的极限速度-光速飞驰而出。

这就是我们所称之为的光子，光本身的粒子。

随着宇宙从等离子体向中性气体转变时，光线第一次可以自由地在宇宙中穿梭了。

于是，我们的光子开始了漫长的旅程。

它首先进入的是宇宙最黑暗的时代，这是在第一颗恒星燃烧之前及第一批星系形成之前的时期。

在这个怪异的黑暗中，引力拉动着物质，塑造了宇宙结构的第一个种子。

但是光子继续疾驰，毫无所觉。

最终，第一批恒星在它周围燃烧完了生命，这些古老的太阳巨大而又臃肿，在宇宙的眨眼之间就耗尽了自己的燃料，当第一个超巨型黑洞迫不及待地吞噬着质量时，它开始迅速成长。

但光子继续飞行，对此毫不在意。

随后，第一批星系开始组合，天空在宇宙中无数年轻的恒星点燃后变得灼热无比，

它们开始将初始的氢和氦原子熔合成更重的元素。

但是，这个光子依旧不管不顾，继续一路飞行。

数百万年变成数十亿年，随着星系的成长和成熟，年轻恒星的强烈光芒开始逐渐平息下来。

而这个光子的旅程可能会永无止境，持续到永恒。

但在飞行了近140亿光年后，一个巨大的螺旋星系逐渐显现出来，而这个光子的命运早已经注定。

在穿越最后的几千年后，光子来到一颗白矮星周围轨道上的一个小蓝点附近，与一块金属碰撞，

这是人类建造的一架望远镜的一部分，位于地球附近的轨道上。

光子的能量被望远镜完全吸收，激发电子，并在探测器上注册。

当光子从存在中消失时，它经历了数十亿年的旅程，但它并没有注意到自己已经完成了这段漫长的旅程。

因为对于光子本身而言，旅程从未发生过。

138亿年的宇宙时间在一瞬间消失了。

但，这怎么可能呢？

光从宇宙的最早时刻就存在，

并将在人类和恒星被撕成尘埃之后继续存在。

但是，它是如何运作的呢？

它怎么可以看似永恒地存在？

而且，最重要的是，它到底是什么？

光的速度奇快无比，它只需要0.13秒就可以环绕整个地球。

光从宇宙的一开始就起到了关键作用。

在早期，它们只存在了极其短暂的瞬间，

一束光的消失就是另一束光的诞生，在有机会走多远之前它们与高速运动的粒子相互碰撞。

但是我们的这个光子诞生于一个非常不同、非常透明的宇宙中。

随着第一个真正的原子从无特征的等离子体中形成，光线在宇宙的最初时期就扮演了至关重要的角色。

随后，大爆炸所带来的宇宙巨灾终于平息了下来，我们的光子便可以开始其没有任何阻碍的无限旅程。

在它的旅途中，多代恒星相继形成了我们的太阳，并且数十亿年后，人类开始在这颗小行星上行走。

因此，最终当这个光子在距离地球几千光年远时，人类开始产生疑惑。

人类天生就是一个好奇的生物，这一点可以从我们对感官的愉悦中可以看出来。

最重要的是视觉，因为这一感官，最能让我们了解事物之间的差异并让它们呈现在我们眼前。”

古希腊人曾经猜测光线来自于眼睛，触碰和感知我们周围的世界。

但很明显，当天黑了的时候，我们什么都看不见。

因此，他们得出结论，光必定是外部的事物，被我们的眼睛捕捉到了。

伊斯兰科学家开始揭示光的特性，并发现了反射和玻璃透镜的放大特性的规律。

光显然是我们周围自然界的一部分。

但直到科学革命的到来和两位科学巨匠之间的斗争，光的深层秘密才终于被揭示。

时间回到1652年，荷兰物理学家、天文学家、数学家和全能天才克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）正在探索光学现象。

他尤其对折射这一现象特别感兴趣，注意到光线经过透镜和反射镜时的行进方式，即光线在穿过两种介质的界面时路径会发生弯曲。

惠更斯还注意到光线经过他的仪器时常常分成彩虹的七种颜色，有时会产生奇怪的明暗交替的图案。

对他而言，这是表明光是某种波动的明显证据。

某种行进的、振荡的现象。

振荡可以在自然界中找到，从行星轨道到振动的电子，

打个简单的比方，想象一下荡秋千这个游戏。

当荡动时，他们从一个位置振荡到另一个位置，然后再返回，

就像老式钟表的钟摆和它们发出有规律的滴答声一样。

当振荡行为协同作用，但又略有不同步时，就会形成波。

在平静的池塘里扔石头，石头带着水往下压，但水会反弹。

这个水花会牵引周围的水，诱导它们振荡，接着，它们又会牵引自己周围的水。

这些振荡形成了一系列波，以稳定的涟漪模式扩散到整个池塘。

波无处不在，从空气中传播的声波到受风和月亮推动的潮汐。

地震可以在我们的地球地壳中产生剧烈的破坏性地震波，在太阳和其他恒星的大气中也有类似的波动。

因此，光似乎是一种波动被确定下来。

但这留下了一个问题。

当光是一种波时，究竟是什么在波动呢？

英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）也得出了类似的结论，认为光的本质是波动。

他观察到光在穿过玻璃时的表现，并意识到这种波动的光可以解释他所见到的很多现象。

这是当时最尖端的科学。

但是，胡克遇到了一个问题，这个问题就是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）。

现在之所以缺乏胡克的当代肖像，据传是牛顿在接任伦敦皇家学会会长的时候，不小心弄丢的。

牛顿在数学和引力方面都取得了卓越的发现，同时对光学和光本身的本质也很感兴趣。

但他并不喜欢胡克和惠更斯的说法。

牛顿发现，将白光通过棱镜分开会形成彩虹，这一点与胡克一样。但与胡克不同的是，牛顿并没有得出光是某种波动的结论。

对于牛顿来说，光是由微小的个体粒子组成的。

牛顿的焦点是衍射现象，即波在锐利边缘周围弯曲的现象。

他知道声音，空气中的波，在经过锐利的边缘时会弯曲。

很明显，你可以在转角处窃听到谈话而看不见聊天者。

因此，他推断，光根本不可能是一种波动。但他并未止步于此，而且更进一步，远远超出了常规。

他推断，作为一束微粒流，光甚至会感受到引力的拉力。

在牛顿于1704年出版的《光学》一书中，他写道：“物体是否在远处作用于光，通过它们的作用使光线弯曲的吗？”

虽然他是正确的，但他的理论在之后的几个世纪中并未得到证实。

因此，牛顿的光微粒理论统治了很长一段时间，更多地是因为他的个人魅力和科学地位，而不是其解释光的复杂观测现象的能力。

然而，随着时间的推移，潮水开始逐渐远离牛顿。

在1800年，博学多才的托马斯·杨将光线穿过一对狭缝，观察到屏幕背景上的干涉图案。

这不是第一次干涉实验的展示，但它是最清晰的。

如果光是由微小的粒子通过一个或另一个缝隙传递而成，那么牛顿对光的粒子图像怎么能解释杨的干涉观测结果呢？

光子作为微小的子弹穿过一个或另一个狭缝，是如何产生观察到的图案呢？

仅仅是把几个小石子扔进静止的池塘就能显示出波的干涉现象，不管是水波还是光波都能自然产生干涉。

托马斯·杨发现通过一种名叫方解石的材料观察光的偏振等其他光的观察都支持光的波动性。

但几个世纪以来，一个重要的次要问题一直没有得到解答。

当质子俘获电子时，我们宇宙中的光束就诞生了。

它飞速地穿越着宇宙，强大而充满活力。

但随着宇宙的扩张，光束开始逐渐失去一些能量。

最初对我们的眼睛而言是蓝色的光束，逐渐变幻成了彩虹的各种颜色，最后变成了红色。

很快，它被迫加入无数新形成的星体发出的其他高能量的光。

光的类型有很多，有极高能量的光，也有几乎没有能量的光，整个宇宙都充斥着光。

光束并不知道这些光线对于人类的眼睛来说是看不见的，因为要过数十亿年以后，人类才开始出现。

直到19世纪末我们才发现这些高能的X射线和无线电波的存在。

“在这个新时代，思想本身将通过无线电波传递。”

古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）此时正在意大利博洛尼亚附近的他父亲庄园中。

那时，他还很年轻，只有20岁，但是，他的教育已经让他看到了一个看不见的世界。

在此前的几十年中，人们已经逐渐揭开了光的本质，而马可尼准备利用这种新发现的知识来改变一切。

马可尼凝视着他的设备，在黑暗中等待着微弱火花的出现。

在马可尼的工作室里，这些电线和线圈组成的设备会发出微弱的火花并不奇怪，但这个火花的推动力并不是来自他面前的设备，而是来自几英里之外的类似设备。

当然，19世纪就已经出现了电报，电报需要通过遍布整个国家和大陆的电线发送电子脉冲，但这需要将电线穿过空气和海洋。

而马可尼并不需要连接这些连接设备的电线。

他发送的信息不需要通过铜线传输，他的信息在空气中飞行了一会就完全看不见了。

但这是怎么做到的呢？

答案在于科学史上最伟大的天才之一，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

1850年，年轻的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦来到剑桥大学时，被告知所有的学生都必须参加早上6点的教堂礼拜。

这位天才出生于苏格兰，一直以来，麦克斯韦都是一位资深的夜猫子，每当别人提起时，他总是简单地回答道：“是的，我想我可以熬这么晚”。

现在，这位苏格兰天才的名字在世界上被广泛传颂。

他最伟大的成就是将两个看似不相关的现象联合了起来，并创造出了一些非凡的东西。

自古以来，人们就知道电和磁，从摩擦材料时的奇异吸引力，到那些知道如何找到北方的神秘石头（磁石）。

但到了19世纪，人们逐渐意识到这两者并非是真正独立的存在，因为通过实验，已经揭晓了它们实际上是紧密相连的。

电流可以产生磁场，而变化的磁场也可以在导线中产生电流。

但是，当麦克斯韦盯着这些方程式的时候，在他的脑海里涌现出了一个奇怪的问题，如果电学和磁学可合二为一会是什么样子呢？

随后，麦克斯韦的洞察力最终被简化为四个独特的方程式，由此诞生了现代电磁学课题。

这是一套统一的数学理论，包括了所有的电学和磁学现象。

但他不仅仅只是关注电磁的复杂性 ，同时还思考了电磁在真空中所表现出的性质这一简单的情况 。

并留下了一个问题，光是如何穿过虚无的空间呢？

麦克斯韦认为电磁场无处不在，甚至是在真空中也存在，但当时的大部分人认为真空中的场为零，实际上是不存在的。

但麦克斯韦考虑到如果在某个空间位置上拉出其中一个场，无论是电场还是磁场，那会怎样呢？

随后，他通过方程式得到了一个惊人的答案。

做个小实验，如果你一下掐住手背上的皮肤，将会发生什么？

当然手痛啦…

言归正传，当你松开手时会发生什么？

你的皮肤是不是会迅速回到没有被掐住的状态？

当然恢复的快慢取决于你的年纪。

麦克斯韦的方程告诉他，电磁场的捏合最终都会回归到零，但，貌似这个故事并没有准备完结，接下来才是高潮部分。

捏合电场会产生类似的磁场捏合，而磁场的捏合也会在电场中产生捏合。

然而，这还没有结束，由于电和磁场的挤压并不只是相互抵消回归到了零点，

在这个过程中，它们会振荡，相互再生，一瞬间到下一个瞬间不停地循环。

就像池塘里的涟漪一样，这些振荡会以波的形式传播出去。

麦克斯韦发现这些振荡居然具有光的属性，这时，他意识到，光其实就是一种自我传播的电磁波。

但是，是什么引起了这些涟漪呢？

难道空气中存在着我们看不见的石头吗？

麦克斯韦苦思了很久，突然有一天，他灵光一闪，才发现自己貌似遗漏了什么重要的东西。

很快，麦克斯韦就找到了这个看不见的石头，它就是电荷，就是我们现在所知道的电子。

当这些电子摆动和振荡时，它们会扰动附近的电场和磁场，并且这些扰动作为电磁辐射像水的波纹一样扩散开来，这就是我们所说的光。

而当光进入眼睛并落在视网膜上时，光的振动会使我们眼中原子中的电子产生共振，然后，这些电子的信号被发送到大脑，最终被我们感知为视觉。

随后，麦克斯韦再继续深入研究他的方程，这些牛人就是这么与众不同，在他们的眼中，整个宇宙就是一个个方程式。

他发现光的波长不仅仅局限于肉眼所可见的百万分之一，还有绝大部分的波长是人类眼睛无法捕捉的。

不过遗憾的是，这个谜团的答案还需要等待两个十年才能揭晓，麦克斯韦在48岁时因癌症去世。

1886年，位于卡尔斯鲁厄大学的海因里希·鲁道夫·赫兹首次发现了这些不可见的波。

这种被称为赫兹波的新型电磁波为世界带来了一场全新的革命。

我们现在将这些赫兹波称为无线电波，并以赫兹名字命名。

不过，当时，赫兹虽然对他的发现感到非常高兴，但当被问及这些无线电波有什么实际用途时，赫兹想了想回答说：“我猜并没有什么用处”。

然而几年后，马可尼用这些无限电波来传递跨越数英里的信息，这些信息越过县城，穿过大洋，最后遍布整个星球。

1909年，马可尼因其在无线电报技术方面的卓越贡献获得了诺贝尔奖。

然而，赫兹却在1894年就去世了，年仅36岁，无法看到他的发现为世界带来了怎样的变化。

随着20世纪的到来，世界开始充满了看不见的光，光的谜团似乎看起来已经得到解决了。

然而，在1905年，一个德国专利文员的出现让这个宇宙再次发生了变化和演化，不对，应该是人类对宇宙的认知又发生了翻天覆地的变化。

无线电波和高能伽玛射线的爆发越来越频繁，这些爆发出能量在空间中迅速传播，其中大部分流经恒星之间并最终进入黑暗之中。

但其中的一些能量则遇到了虚空中孤立的原子，这些低能的无线电波轻轻地晃动并激发了这些原子，就像平静的海浪拍打着沙滩一样。

这正如我们从麦克斯韦对电磁波的描述中所预期的那样。

不过，高能的伽马射线的行为却有所不同，它们以强烈的力量将能量输送给原子，猛烈地撞击中并将电子彻底的撕裂出来，而不是像波一样轻轻的拍打，而是像小而强大的粒子一样猛烈地撞击着。

这是怎么发生的呢？

难道麦克斯韦的理论是错误的吗？

难道，光有时候也像牛顿所描绘的那样，像粒子一样运动吗？

如果是这样的话，这将会出现什么情况呢？

“我们必须同时运用这两个理论，在每周的一、三、五我们使用波动理论，二、四、六则考虑光粒子或光子流动理论。”

那么，这听起来就让人有些混乱。

我想阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel）没几个人不认识吧，即使不认识，那至少听过诺贝尔奖的吧。

现在，诺贝尔奖不仅仅是体现个人的学术荣耀，而且得奖者还会拥有一笔不菲的奖金，以奖励他们的卓越贡献。

那么，这么庞大的财富，诺贝尔当初是怎样积累的呢？

阿尔弗雷德·诺贝尔的父亲埃马纽埃尔尔·诺贝尔不仅是一位发明家还是一名工程师，早期就在研究鱼雷等武器，等诺贝尔接管了父亲的产业之后，就开心的研究起了硝酸甘油炸药，也就是我们俗称的“黄火药”。

诺贝尔通过他的发明和商业活动，特别是在爆炸物和武器领域，迅速积累了大量的财富。

我们都知道，炸药这玩意那得多么危险的东西，一不留神人就飞灰烟灭了，在成功的路上总会伴随着失败，1864年9月3号这天，诺贝尔的弟弟艾弥尔就因一次爆炸事故丧身，同时还有其他4名人员不幸遇难。

因此，当时很多人都称他为“死亡之商”。

这让诺贝尔感到非常的惊讶，他不明白自己明明搞定了这么不得了的东西，为何这么不受待见。

他意识到自己或许应该做些什么来纪念那些推动人类文明发展的人们，也或许是想在历史上留下点什么。

因此，他在遗嘱中决定将自己的大部分财产捐赠给一系列奖项，以表彰那些对人类做出重大贡献的人。

在科学领域，诺贝尔奖并没有让诺贝尔失望，获奖者名单中充满了一个多世纪以来的科学巨人。

1901年，首届物理学诺贝尔奖授予了德国人威廉·伦琴，以表彰他对光的本质的发现。

因为他发现了X射线。

伦琴在实验中发现，只有最密实的物质才能阻止X射线。他甚至让自己的妻子伯莎将手放入X射线束中，发现X射线竟然可以穿过她的肉，但会被更密集的骨骼阻挡，因此产生了第一张X射线照片。

虽然人们怀疑 X 射线是一种电磁辐射，其波长比可见光小得多，但需要数十年的时间才能最终证明这一点。

但在此期间，医学应用 X 射线来固定骨骼和挽救生命的方法却在不断增长。

这意味着到了 1900 年代初，麦克斯韦的电磁波理论无疑地被证实了，所有关于光的秘密都被揭示了出来，甚至包括电子的发现。

唯一剩下的就是要找到我们看不见的光的其余部分，例如伽马射线、微波等等，以填补电磁波谱上最后的空缺并结束这个故事。

然而，当物理学家们感觉自己的任务完成了的时候，等待着他们的猛烈冲击就在将来的不远处。

在麦克斯韦的光学图像中，光可以被看作是一种连续的波。

科学家们发现，当光照射到物质上时，通常会不断的传递能量，激发出电子并使其逐渐被排出，这被称为光电效应。

通过，减小光的强度，电子被排出的时间会延长，通常情况下，电子的排出时间会更长。

然而，在某些金属表面被光照射时，电子似乎会瞬间被弹出，这并不符合预期。

在照射光线并改变光线的颜色时，人们观察到了令人困惑的现象。

比如，蓝光照射在某些金属表面时，会产生出能量非常高的电子，绿光则会产生出能量较低的电子，而红光则根本没有产生电子。

这种现象就非常与常识相悖，因为所有颜色的光都携带着能量，为什么红光不能激发电子呢？

这个问题一度让人们感到非常的困惑。

然而，在一个非同寻常的年份，这个谜团得到了解决，不过，同时新的谜团也产生了。

这一年不同寻常，它被成为“奇迹之年”。

因为这一年，阿尔伯特·爱因斯坦永远的改变了物理学。

那是在1905年，当他写下狭义相对论的时候。

但，这仅仅只是一个开始。

爱因斯坦于1921年获得了诺贝尔物理学奖，奖项颁发的理由是他在“理论物理学方面的贡献”。

但其中的一个特定主题被挑选出来进行表彰，而这个主题并不是他在相对论方面的工作。

这是因为，爱因斯坦发现当光与电子相互作用时，它并不能作为连续的能量波。

他认为，光是由一些离散的能量“粒子”组成，这些粒子后来被称为光子。

这个发现是量子力学的早期基础之一，它揭示了光与物质相互作用的微观机制。

相反，能量必须被集中成一个瞬时的能量包并注入到电子中。

爱因斯坦提出，光线必须是量子化的，它必须是能量的块，它必须像一个粒子一样相互作用。

爱因斯坦接着解释说，每一个能量包（packet）的大小与光的频率成正比。

红光的能量包比绿光的少，绿光的比蓝光的少，所以在实验中，红光并没有提供足够的能量让电子逃脱。

直到1926年，在《自然》杂志上，吉尔伯特·路易斯提出了“光子”这个名称，这个神秘的能量包才有了正式称呼。

随着光的粒子性的证据不断增多，阿瑟·康普顿在1923年进行了一项重要的实验，但这个实验却依赖于一个奇怪的事实：光可以推动物体。

光线具有推动力，这可能听起来很奇怪。

光线没有质量，怎么可能有推动力呢？

但麦克斯韦的方程表明，在携带能量的同时，光线也携带着动量。

你现在可以轻易地买到一个克鲁克斯辐射计作为办公桌上的玩具。

它由一个内部抽成真空的玻璃管和四个叶片组成，其中一面是黑色的，另一面是白色的。

当被放置在明亮的阳光下时，叶片开始旋转，据说，是因为被太阳光的动量所推动。

然而，克鲁克斯辐射计的物理学比这个简单的解释要复杂得多，但太阳光对叶片施加的力是真实的。

一些有远见的人想象着未来的人类在行星间航行可以通过太阳帆来实现。

康普顿的实验与众不同，并具有开创性。

他的实验是将一束高能X射线照射到原子靶上，从原子的外部撕下电子。

但是在检查反弹的X射线和反冲的电子时，康普顿发现了一个问题：麦克斯韦关于能量和动量的波动的描述根本行不通。

相反，康普顿不得不像处理相撞的台球一样来处理X射线和电子的碰撞。

当X射线撞击电子时，它会作为一个离散的能量和动量包交付它的能量和动量，它们确实像硬粒子一样相互作用。

牛顿对光粒子的看法被重新验证了！

难道，光是粒子这是最终的证据吗？

然而，并不完全是这样。

仍然有大量的证据表明它具有波动性质。

在科学家们做出了许多研究后，他们发现比以往任何时候都更加困惑。

尽管麦克斯韦关于电磁波的图像都非常强大和成功，但在二十世纪初的这些实验要求光必须是粒子，而不是波。

到底是否最终只有一个答案呢？

我们从跟随一束光子穿越宇宙的故事开始。

根据麦克斯韦的理论，光子是由电子能量的变化形成的，最终被电子吸收而消失。

但是，在这个过程中会发生什么呢？

难道这个史诗般的旅程只是由命运所决定的吗？

光子会随意的飞向某个方向，然后在未来的某个时刻随机地撞击一个电子吗？

下一个问题将是我们故事的下一部分。

因为在20世纪初，人们意识到这显然不可能是事实。

用量子力学的语言来说，光子的旅程与偶然是无关的。

“宇宙不仅比我们想象的更奇怪，而且比我们所能想象的更奇怪。”

在法国，一场革命带来的混乱笼罩着整个国家，1793年1月的一天清晨，国王路易十六的头颅被斩下。

在这场革命中，维克多-弗朗索瓦-德-布罗伊公爵二世为了国王而奋斗，但最终像其他许多贵族一样逃离了法国以求安全。

最终布罗伊带着de Broglie家族回到了他们的故乡法国，经过一系列政治家、外交家和作家的活动为革命后的国家塑造全新的形象。

1892年，一个将改变我们对万物理解的人出生了。

他的名字是路易·维克多·德布罗意，第七代布罗伊公爵。

在20世纪初，他见证了量子力学的诞生和对光是粒子还是波的不断困惑。

对于德布罗意来说，存在着一种显而易见的解决方案，但这是一种很违反直觉的方案。

光既不是粒子，也不是波，而是二者兼而有之。

很明显，当光传播时，它以波的形式传播，产生了干涉和衍射效应。

德布罗意的非凡洞见在于认识到这不仅适用于光，而且适用于整个量子世界。

当量子粒子旅行时，它们像波一样传播，表现出干涉和衍射等特性；但当它们相互作用时，它们又像粒子一样表现出来。

这些粒子似乎同时具有波动性和粒子性的特性，但实际上既不是波也不是粒子。

德布罗意提出，量子世界不存在真正的波或粒子，一切都是某种量子事物。

他在1924年的博士论文中提出，明显是粒子的电子也应该表现出波动性质，并且在1929年，当实验证实了他的想法时，他获得了诺贝尔奖。

德布罗意提出的粒子和波的二象性引起了很多哲学上的讨论，但实验的观测结果是无可辩驳的。

单个光子或电子通过多个缝隙后仍会产生干涉图案，甚至大型复杂分子也被证明既是波又是粒子，目前已经测得的最大分子大小为2000个原子。

因此，随着量子力学的发展，人们开始探索光和电子是如何相互作用的。

在经典物理学中，即麦克斯韦的物理学中，当电磁波通过时，电子会振动。就像海鸥在起伏的海洋上浮动一样。

通过它们的振动，电子会发出自己的电磁波，加入到混合物中。

但是量子世界必须与众不同，因为它是由量子和粒子反应组成的。

不久之后另一位科学巨匠保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克（Paul Adrian Maurice Dirac）就找到了一个解决方案。

在20世纪20年代末，他致力于将现代物理学的两个最重要的突破——量子力学和爱因斯坦的狭义相对论统一起来。

狄拉克的故事已经被广泛流传，他不仅缺乏交流能力，还出了名的健忘。

量子先驱尼尔斯·玻尔甚至称他为“最奇怪的人”。

但毫无疑问，狄拉克是一个革命性的天才，并在科学史上留下了自己的印记

为了理解他的观点，我们必须接受一个事实，即所有事物实际上都是场。

在量子场论中，这些场不同于经典的电磁场。

有电子场、光子场、各种夸克场等等。

在电子场中的波纹就代表着一个电子，在光子场中的波纹则代表着一个光子。

再想想看，一个原子你看到了什么？

在我们的脑海中，我们通常有着尼尔斯·玻尔给我们的图像，即电子像行星绕着恒星一样绕着原子核运动。

当电子从一个更高的轨道跃迁到一个更低的轨道时，会发射出一个光子。

但是在考虑量子世界时，这并是不完全正确的。在量子场论中，我们认为运动的电子是电子场中的一种振动模式。

高能轨道是一个特定的模式，低能轨道是另一个模式。

用物理语言来说，电子场和光子场是耦合在一起的。

也就是说当电子从高能轨道跳到低能轨道时，电子场就会在光子场中产生振动。

量子场论已经成为当今世界上最成功的理论，描述了我们宇宙中几乎所有的事物，涉及的24个量子场，对应于标准模型中各种可能的相互作用。

因此，简单地说，一切都是场，而这些场与场之间存在着相互作用。

然而，就像在量子世界中经常发生的那样，事情即将变得更加奇怪。

许多量子力学领域的伟大思想家参与了这种向奇异性的转变，但最著名的可能是来自于纽约法洛克卫的一个有着浓重布鲁克林口音的人，名叫理查德·费曼。

理查德·费曼于1918年出生，他的职业生涯始于曼哈顿计划，并在1942年得到了奥本海默的推荐，前往伯克利。

奥本海默在推荐信中写道：“他无疑是我们这里最杰出的年轻物理学家，每个人都知道这一点，我可以给你提供两个和他曾一起工作的人的引语。

汉斯·贝特（Hans Albrecht Bethe）说：“他宁愿失去任何其他两个人也不愿失去费曼。”

而尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）则说：“他是第二个狄拉克，只不过这次是个人类。”

尽管费曼1985年的自传《当然，费曼先生，您在开玩笑！》是许多人的启蒙书。

这本书不仅介绍了他在科学方面的众多贡献，而且还展示了他外向的个性和复杂的私人生活，包括热衷于去脱衣舞俱乐部，这些方面一点都不符合传统教授的形象标签。

默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）是量子力学中的另一位巨匠，曾经讽刺费曼：“费曼是一位伟大的科学家，但他花费了大量精力编造自己的轶事。”

究竟是一个科学家，还是一个小说家？这是人们对费曼的看法之一。

他以讲故事和诙谐幽默著称，但同时也是量子力学领域里的巨匠之一。

在许多物理学家看来，费曼在量子世界的思考方式彻底改变了人们的认知。

虽然费曼曾开玩笑的说没有人真正理解量子力学，但他自己肯定理解了量子力学背后的深度数学。

这使得他能够深入思考光的真正本质以及它是如何相互作用的，而这一切都始于一个孤立的电子。

在麦克斯韦的电磁学中，电子的电荷会产生一个环绕它的电场。

一个电荷在电场中会感受到电场的存在，这时肯定会有能量的交互作用，但具体有多少呢？

问题在于，每次费曼尝试计算能量量级的时候，答案总是无穷大。

所以，费曼做了一些相当激进的事情，他摒弃了麦克斯韦定义的经典电场的概念。

在1965年，他获得诺贝尔奖的颁奖典礼上，费曼发表了一篇演讲：

“我对自己提出的建议是，电子不能对自身产生作用，它们只能对其他电子产生作用。”

于是一种新的光和电子相互作用的图像浮现出来，这就是以费曼本人命名的图表——费曼图。

费曼图通常是由线条、波浪线和循环线等复杂组合而成的，但实质上，费曼图描述了量子力学中所有可能的相互作用。

要解读费曼图，最好从最简单的相互作用开始，即电子和光子之间的相互作用。

费曼图描述的是在时空中的相互作用，孤立的电子通过其世界线在时空中划出的直线路径。

电子实际上只是量子电子场中的一个振动。

在没有相互作用的情况下，它会快乐地沿着简单的直线轨迹移动。

然而我们也知道，电子场可以与光子场耦合，当它们相互作用时，电子场中的振动会发生变化。

在原子中，表现出电子从高能级轨道跃迁到低能级轨道，但对于自由电子来说，动量守恒意味着电子会改变方向。

当我们在时空中想象这一过程时，电子的世界线上出现了一个明显的拐点，而这个点正是光子（通常用波浪线表示）被发射的位置和时间。

这个结构，这个交点，被称为一个顶点，它是构建所有费曼图的基本积木。

完整的费曼图不仅仅由一个顶点组成，通常它们会组合几个不同的部分。

一个电子发射的光子最终会被另一个电子接收。两个交点被连接在一起就形成了完整的相互作用，两条有拐点的电子路径与代表光子的波状线相连。

但是，是什么决定了电子场和光子场之间的耦合呢？

这与电子的电荷和自然界的一个常数——精细结构常数有关。

这就是电磁学，而光子在两个电子之间的交换就是电磁力的作用。

在费曼看来，电磁场向我们挥手告别了。

取而代之的是两个电子通过交换光子进行相互作用，当这些光子大量交换时，它近似于经典力，尽管在其核心，电磁力是一种量子现象。

而这种情况不仅适用于电磁力，对于基本的弱相互作用和强相互作用也同样适用。

对于强相互作用而言，夸克之间交换的是胶子，而对于弱相互作用来说，是通过交换被称为W和Z的大质量粒子来实现的。

但在其核心，所有这些力都可以通过费曼顶点的组合来表示。

费曼还有一个更加奇特的想法，即涉及到光的相互作用。

他说一个电子会对另一个电子产生作用，这是通过交换光子来实现的，从而产生了电子之间的完整费曼图。

这是否意味着电子会随机地发射出光子？这个光子会流向宇宙，只有极小的几率被另一个电子吸收吗？

令人意外的是，答案是否定的。

费曼告诉我们，光子只会在两个电子之间进行已经约定好的交换。

但是，这里又发生了一些奇怪的事情。

当我们处于光子传输的中间时，光子从一个电子的发射是在过去发生的，而光子被另一个电子所吸收将会在未来发生。

那么，电子是何时进行通信并同意交换光子的呢？

它们又是如何知道对方的存在的呢？

很明显这不可能是通过电磁力传递的，因为这正是光子交换的本质。

量子力学的数学公式能够很好地预测现象，但如何理解这些现象却是一个很大的挑战。

因此，费曼和他的导师约翰·惠勒提出了一种令人难以置信的可能性，被称为交易解释。

那么，这个解释的具体含义是什么呢？

他们说，两个电子通过握手来确认交换光子的行为，但这个握手是在时间上进行的，一个电子来自过去，一个电子来自未来。

这听起来可能很荒谬，但它完全符合量子力学的数学原理。

因此，在一个漆黑的夜晚，当你凝视远方的星星时，你眼中的一个电子和那颗星星大气中的一个电子，可以通过时间和空间的跨越进行通信，并达成交换光子的协议，这样你才能看到那颗星星。

进一步来说，在我们故事一开始遇到的那颗寂寞的光子中，隔着漫长的时空，两个电子通过数十亿年的时间、数十亿光年的距离，握手达成了让光子开始它的宇宙旅程的协议。

我的乖乖，量子力学的世界从来不会让人失望。

然而，还有一个更加奇怪的关于光的谜团等待揭开。

当我们的孤独光子在黑暗的太空中飞行了数十亿光年之后，它经历了什么？

我们已经跟随光子穿越了数十亿年的时间和空间。

最终，当它抵达终点时，它所处的宇宙与它出生时的宇宙大不相同。

然而，这里存在一种分离感。

因为虽然这个光子几乎和宇宙本身一样古老，但它始终保持着永恒的年轻。

在虚无中形成了星系，星星的出生，生存和死亡，整个超星团的破裂和崩溃。

而这个光子却错过了一切。

因为对于光子而言，时间本身毫无意义。

这似乎是一件奇怪的事情，光子显然在时间中存在。

但随着爱因斯坦和他狭义相对论的到来，人们意识到时间其实是有弹性的。

时间是相对的，取决于谁或什么来测量它。

而光——则将这个想法推向了极端。

“如果我骑在光束的尽头，以光速行驶，宇宙会是什么样子？”

在17世纪中期，奥勒·罗默（Ole Rømer）陷入了困惑。

在巴黎天文台工作的罗默正在观察木星的一个明亮的卫星——伊欧。

这个卫星的运行像个钟表一样，每隔约42小时绕着巨大的行星旋转。

当它在木星的阴影中出没时，便会消失不见。

但这个宇宙钟好像有些不对劲了！

罗默发现，伊欧的日食时间似乎与地球的轨道有关，当地球离木星最近或最远时，时间会从早到晚或从晚到早。

罗默认为，这种现象的罪魁祸首就是光，特别是光速度。

他推断，伊欧的日食时间漂移是由于光速度是有限的。

罗默发现，随着地球绕太阳公转，距离木星的距离也在变化，导致观测伊欧的时间发生变化，而这种变化是因为光需要通过这些不同的距离。

从最初每秒二十二万公里的速度估算，到最终，更准确的测量将光速与每秒近三十万公里联系起来。

几个世纪以来，人们一直相信存在着一种介质，即以太，来传递光波。

因此，光的速度相对于这种介质来说对吗？

从柏拉图到牛顿，这种以太一直被提出作为物理学中各种问题的解决方案，但从未被确定性地检测出来，寻找它存在的证据的实验一次又一次地失败了。

1905年，爱因斯坦在他的“奇迹年”中，通过提出狭义相对论，彻底否定了这种看不见的媒介的存在。

事实上，光速是宇宙中的普遍不变量，而且在宇宙中的所有观察者中测量到的值都是相同的。

虽然有很多关于狭义相对论的文章，有些似乎很混乱和悖论，但其核心信息很简单。

在爱因斯坦的观点中，存在质量的粒子，比如电子，在它们在时空中旅行时会遵循自己的时间。

想象一下有两个时钟，放在同一个位置，它们被同步设置，显示的时间也完全一致。

当两个时钟分别运动，速度快慢不同，它们会沿着自己的时间轨迹穿梭时空。

在牛顿的宇宙观中，时间是绝对的，如果将两个时钟重新放在一起比较，它们的时间仍然是同步的。

但在爱因斯坦的相对论中，两个时钟的相对运动会影响它们的时间流逝，所以当它们再次相遇时，它们的时间将不再同步。

这种相对论的奇特现象似乎太奇怪了些，但许多实验已经证明了这是宇宙运作的方式，从环游世界的原子钟到加速器中高速运动的粒子，时间都呈现出相对性质。

这在上期《时间不存在》的影片中有讲，感兴趣的朋友可以在我的主页中看到。

在爱因斯坦的宇宙新观念中，光成为了一个核心概念——在时空中的每个人测量到光速都应该是个完全相同的值。

但是，在要求这一点的同时，必须牺牲掉其他东西。

因此，空间和时间本身必须弯曲，变得灵活和有弹性，以适应光速的一致性。

也就是说，光速不变的前提是，空间和时间是可以改变的。

爱因斯坦的洞察力所带来的一个直接结果是，光会感受到重力的存在，当它穿过宇宙时，光的路径会因为质量的存在而产生偏转。

这重新引出了两个世纪前牛顿的假设。

实际上，各种实验一次又一次地证明了这个现象，并且结果也越来越准确。

大质量的物体，如恒星和星系，甚至可以作为引力透镜，放大早期宇宙中遥远的宇宙婴儿星系，揭示暗物质的存在。

这些天然望远镜的美丽在深空图像中是显而易见的，比如由詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示的第一张图像。

因此，空间和时间的灵活性确实结束了牛顿关于刚性宇宙的观点。

但是，光的情况又如何呢？

光的空间和时间体验会是怎样的呢？

光以宇宙中最快的速度行驶，相对论的影响变得极端，非常的极端，所有距离都会缩短到零。

覆盖这些零距离所需的时间也同样缩短为零。

因此，对于光子而言，即使它们在宇宙中旅行了很长时间，时间也不会流逝。

即使光子是由一个电子在一个位置清晰地产生，当被另一个电子吸收时消失了，这种光在时间和空间中存在了很多年或很多光年，但这两个事件之间的时空距离仍将完全是零。

于光子来说，它的诞生和死亡都是在完全相同的一瞬间。

对于光子来说，它就好像从来没有存在过一样。

我们从跟踪一束光子从这个故事最开始的时间，到它最终被我们星球轨道上的望远镜探测器捕捉到的时候，

这个光子本身却没有看到任何事情。

它没有察觉到恒星诞生时的强烈光芒，

也没有感受到恒星死亡时伴随而来的灾难性爆炸，

更没有意识到行星的形成以及地球上生命的崛起。

对于这一切，光子都毫无所觉。

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