上古神话中的夸父逐日，体现了对于太阳的敬畏与崇拜；墨子的“小孔成像”实验，开启了人类有记载的光学纪元。

历经数千年岁月，光学这门古老的基础学科，至今仍活跃在科技创新的最前沿。随着人类认知的深入，光学又经历了几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期和现代光学时期，而基于光的应用早已遍布整个社会。

第二个国际光日到来之际，就让我们一起探寻光的本质，回顾光的“前世今生”。

光是什么？

说起光的本质，要从一场持续两百年的争论谈起。17世纪下半叶，牛顿和惠更斯进行了一场举世瞩目的“光学大战”。

牛顿通过著名的三棱镜色散试验，提出了“微粒说”；惠更斯则提出了“波动说”的设想。二人对光的本质的理解各持一端，直到20世纪初，这场旷日持久的争论才最终画上句点。

而事实上，终结争论的引子早已在19世纪埋下。这期间，法拉第、韦伯、麦克斯韦发现光是一种电磁现象。这种关系被赫兹所证实，并提出“光电效应”这一划时代的主张。

在风云变幻的二十世纪初，普朗克提出了“量子”概念，宣告“量子”时代的到来。爱因斯坦则进一步提出了光辐射的能量本身就是“量子化”的，一份能量就是能量的最小单元，后来称之为“光量子”或简称“光子”。

也正因爱因斯坦“光子”概念的启发，德布罗意提出了“德布罗意物质波”假设。由此引发后继的大量研究，证实所有微观粒子都具有波动和粒子二象性。

至此，光的“轮廓”逐渐清晰起来——光是一种电磁波，携带能量和信息，具有波粒二象性。

透过现象看本质，在我们的生活中无处不在的光又有哪些其他奇妙的特性呢？

光·直线传播

光在均匀介质中沿直线传播是光最基本的性质，而日食是光在天体中沿直线传播的典型例证。

当太阳、月球、地球三者正好排成或接近一条直线，月球挡住了射到地球上去的太阳光，而其身后的黑影正好落到了地球上，这时就发生了日食现象。

光·反射

光的反射指光在传播到不同介质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。

万花筒就是利用了光的反射原理。万花筒里有三面玻璃镜组成一个三棱镜，在一头放上一些各色碎片，这些碎片经过三面镜子的反射，就会出现对称的图案，看上去就像一朵朵盛开的鲜花。

光·折射

光的折射指光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折的现象。

这里我们要谈到的是火车上的高科技——减速玻璃。相比普通平板玻璃因不等厚平整，导致光线折射不均匀，使运动物体看起来恍惚、在视觉上运动得比实际更快，减速玻璃准确地矫正了普通玻璃的不平整性，让外界景物的运动看起来和实际速度一致，实现和没有玻璃时相同的效果。

光·干涉

光的干涉指两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域加强，在另一些区域则削弱，形成稳定的强弱分布的现象。

肥皂泡之所以能呈现出五彩缤纷的颜色，是因为在泡泡膜外层反射的光和内层反射的光发生干涉的缘故。不仅如此，在光盘的背面、水面上的油膜、高反射车窗玻璃上都可以找到干涉现象的存在。

光·衍射

光的衍射指光在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播的现象。

当你用望远镜观察星空，星星周围明亮的圆环的形成就是由于望远镜镜孔形成的单孔衍射的结果。

同样，如果你试着透过一块方手帕观察白炽灯，就会发现成矩形规则排列的亮格斑，每个斑点周围还镶着彩边。这也是由于白光在二维网格上发生衍射后出现的情况。

光·偏振

光是横波，人们将垂直于传播方向的平面内的各种振动状态称为光的偏振态。

通过3D眼镜观看的立体电影利用的就是光的偏振原理。偏振立体电影通过用两个镜头从左右不同的方向同时拍摄下景物，在放映时在每架电影机前装一块偏振片，并且偏振方向相互垂直，用偏振眼镜观看电影时左右眼睛分别看到左右机映出的画面，从而给人以立体的效果。

光·吸收

光的吸收是指原子在光照下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。

生活中常见的变色太阳镜就是利用了光的吸收现象。在室外时变色太阳镜镜片中的物质吸收了紫外线后，其结构或成分发生了转变，导致颜色变深；而当回到暗处时则发生逆反应，恢复到完全透明的状态。从而实现了室内室外状态间的转换。

在科研中对于光的吸收运用的典型案例则是吸收光谱。由于不同的化学元素会吸收不同波长的光，在特定位置产生吸收线。因此吸收谱线可以用来鉴定气体或液体中所含的元素。这种方法也可以用在无法直接测量的恒星和其他的气体上出现的现象。

光·色散

光的色散指光在介质中的传播速度随波长变化的现象。

彩虹的形成就与光的色散有关。由于大气中的水滴等微小颗粒对各种波长的光具有不同折射率，作为一种复色光，阳光穿过雨滴微粒时就会发生色散而形成彩虹。

光·散射

光的散射是指光束通过光学性质不均匀的介质时，光线偏离原来的传播方向向各个方向传播的现象。

光的散射可以解答人们对天空为什么是蓝色的困惑。当阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的蓝、紫光等，碰到大气分子、水滴等时，很容易发生散射现象。被散射的蓝、紫等色光布满天空，天空便会呈现出一片蔚蓝。

当然，如果没有了大气的散射，那我们在白天看到的天空将和晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光芒。在月球上观察到的情况便是如此。

光·成像

光的成像理论涉及多个方面，以照相机为例，照相机是利用透镜能成缩小实像的原理制成，来自物体的光经过镜头后会在胶片上形成一个缩小的实像。

而视觉成像则是物体的反射光通过晶状体折射，在视网膜上形成倒立缩小的实像，再由视觉神经感知传给大脑（人的视觉是正立的），这样人就看到了物体。

近视眼看不清远处的物体，则是因为远处物体的像落在视网膜的前方。通过凹透镜矫正可使像重新落在视网膜上；远视眼看不清近处的物体，则是因为近处物体的像落在视网膜的后面。可通过凸透镜矫正。

光·量子

20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后，海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学家建立了量子力学。从此，量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明发展。

一条路是“自上而下”的，即不断深入微观世界探索基本粒子。我们经常听到的“高能物理（即粒子物理）”、“大统一理论”、“大型强子对撞机”等就是来自这个领域。

另一条路是“自下而上”的，就是认识身边的各种物质背后的量子力学规律，并在此基础上发展各种高新技术来改变世界。我们经常听到的“凝聚态物理”、“半导体”、“激光”、“超导体”、“纳米材料”等就来自这个方向。

但是无法避免的是，量子物理学迅猛发展的同时，无数的科学家依然被“光子（光量子）的本质究竟是什么”这个问题困扰着。

就像爱因斯坦在光量子假说提出50年后发出的感慨：“光的本性之思考已在心中萦绕了50年，然而并没有使我接近答案半步，现在，似乎每个人都认为他们能回答光是什么，然而他们错了。”

2012年，中科院量子信息重点实验室实现了量子惠勒延迟选择实验，观察到了光子的波动态和粒子态的叠加，挑战了玻尔的互补原理设定的传统界限（按玻尔的说法，微观物体的波动性与粒子性互补。简单来说就是把波动性和粒子性两个概念视同为一个硬币的两面）。《自然－物理》杂志也在“研究高亮”栏目进行报道，称其“重新定义了波粒二象性的概念”。

或许如同“轨道”在量子力学中一开始就被抛弃那样，波动性和粒子性仅适用于经典世界，在量子世界并不存在；或许“光子”诞生后的第二个百年中可以找到对光子本质的正确答案……

但无法否认的是，量子力学的第二次革命已经来临，量子战鼓已然敲响。