光是什么

先看不需要任何理论就能看到的事。影子有清晰的边缘；阳光从窗帘缝里照进来，在有灰尘的空气里是一道笔直的光柱。所以光沿直线传播，至少在一个房间的尺度上是这样。光还带着能量：阳光会晒暖皮肤，放大镜能把阳光聚起来，把纸烤焦。

光到达需要时间吗？好几个世纪里，很多人认为光是瞬间到达的。1676 年，罗默在为木星的卫星木卫一的「食」计时，他发现：当地球在轨道上远离木星的一侧时，木卫一的食比预计的晚；当地球在靠近木星的一侧时，又比预计的早。木卫一的光要多走一段距离，大约是地球轨道的宽度，$3.0 \times 10^{11}\ \mathrm{m}$；罗默估计多出来的延迟大约是 22 分钟。用距离除以时间，就得到一个速度：

这个速度非常大，但不是无穷大。（今天我们知道，多出来的延迟更接近 1000 秒，也就是 17 分钟左右，所以罗默得到的速度小了大约四分之一；重要的发现在于：延迟确实存在。）

1849 年，菲佐在地面上测量了光速，用的距离可以用测量链条来核对。灯光穿过一个旋转轮子边缘两个齿之间的空隙，走 $8633\ \mathrm{m}$ 到达山上的一面镜子，再反射回到轮子的同一处边缘。如果轮子转得慢，返回的光从同一个空隙穿回来，观察者就能看到它。如果轮子转得足够快，在光一去一回的时间里，轮子刚好转过「从一个空隙到下一个空隙」的一半，一个齿转到了原来空隙的位置，返回的光就被挡住了：观察者看到一片黑暗。

在下面试一试。图不是按比例画的：镜子实际上远得多，轮子的齿也比菲佐的 720 个少，好让你看清楚。改变轮子的转速，看返回的光脉冲遇到的是空隙还是齿。

菲佐的轮子有 720 个齿和 720 个空隙，所以「从一个空隙到下一个空隙」是 $\tfrac{1}{720}$ 圈，一半就是 $\tfrac{1}{1440}$ 圈。第一次出现黑暗时，轮子每秒转 12.6 圈。以这个速度转过 $\tfrac{1}{1440}$ 圈所用的时间，就是光往返一次的时间：

光在这段时间里走了 $2 \times 8633\ \mathrm{m}$。现代的测量值是 $2.998 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$，所以菲佐的结果误差在百分之五以内。以后我们把光速写作 $c$。

知道光有多快，仍然不知道它是什么。1700 年前后有两种图景。牛顿倾向于粒子，他称之为「微粒」：一束极小的子弹自然会沿直线前进、投下清晰的影子，并且像球撞墙一样被镜子反弹。惠更斯则认为光是在某种介质中传播的波，就像声音在空气中传播；他用波在玻璃或水中变慢，解释了光射入时为什么会偏折。

单凭直线传播还不能作出判断，因为不止一种模型能解释它。我们需要一种现象，让两种模型给出不同的预期。两股普通小颗粒相遇，不会仅仅因为相遇就使那里什么也没有；绳子上的两个起伏相遇，却可能让那一小段绳子暂时回到原来的高度。把这种抵消弄清楚，就能用它检验光。这里比较的是普通小颗粒；后面会说明，光子不能当作缩小的小弹丸。

设想你握住长绳的一端，把这一端抬起一次。靠近手的一段先升高，接着旁边的一段升高，隆起的形状就向远处传过去了。现在让手持续上下移动。下图在绳子的五个固定位置系上了 A 到 E 五颗珠子。先暂停，认准 C；继续播放时，C 沿着自己的标线升降，并没有跟着隆起一起向右走。A、B、D、E 也各自在原处升降，只是升降的时刻不同。传出去的是起伏，而每个被标记的绳段都留在自己的位置附近。这种在物质中传播的起伏，叫作机械波。我们还没有因此断定光也需要绳子、水或别的物质。

我们需要分清两种测量，因为“一颗珠子动得多频繁”和“两个隆起隔得多远”是不同的问题。盯住 C，从它到达最高点开始，直到它下一次以同样的方式回到最高点，这才算一次完整振动。完成一次所需的时间叫周期，用 T 表示，单位是秒。如果 C 一秒完成两次，每次就用半秒。每秒完成的次数叫频率 f，单位叫赫兹，写作 Hz。因此 $f = 1/T$。现在暂停整根绳子，形状的最高处叫波峰；从一个波峰量到下一个波峰，这段距离叫波长，用希腊字母 $\lambda$ 表示，读作 lambda。周期是在一个位置上量时间，波长是在整幅形状上量距离。

现在可以把这两种测量连起来。在 C 到达最高点的时刻，给 C 上方的那个波峰做一个标记。经过一个周期 T，C 完成了一次振动，后一个波峰来到 C 的位置；原先标记的波峰则向右走到下一个相同的位置，恰好前进一个波长 $\lambda$。所以，图样在 T 这段时间里走过 $\lambda$ 这段距离。速度就是单位时间内走过的距离，用 $\lambda$ 除以 T，便得到图样的传播速度 v；再把 1/T 换成 f，就得到下面最后一个式子。这个 v 不是珠子上下运动的速度。

选择每秒两次振动。周期是半秒，波峰相隔 1.5 米，所以图样的速度是 $1.5 / 0.5 = 3$ 米每秒。把频率调高：每秒要有更多波峰经过同一位置，模型又保持同样的传播速度，因此波峰必须排得更密。对于这根理想绳子上的小幅波动，传播速度由绳子的张力和单位长度的质量决定。其他波有各自的规律，例如水波的速度还可能随波长和水深改变。承载机械波的物质叫介质。绳波需要绳子；声音可以通过空气、水或固体传播，但不能通过真空传播。

两个起伏同时到达同一小段绳子时，这段绳子会在哪里？下面两条浅线分别表示每个波包单独存在时会造成的形状，实线表示两者同时存在时的真实绳形。看看中间标记的位置。它相对静止高度升高或降低了多少，叫位移；向上记正，向下记负。在这个小幅波动模型里，把两个单独的高度相加，就得到实际高度。例如 +1 和 −1 相加得到 0，这一小段此刻回到静止高度，并不意味着波和能量消失了。相遇之后，两个波包还会分开。这条相加规则叫叠加。停在重叠处，对比三个高度。恢复播放时，看看两个波包怎样穿过彼此。

绳子让我们沿着一条线观察不同位置；水面则让我们在一整片区域里选位置。下面两个波源一起上下动，发出相同的波。探测点是我们在水面上选定的一个观察位置，不是第三个波源。为什么有的位置起伏明显，有的位置几乎不动？选择“两条路一样长”，沿两条标出的路径找到探测点。比较两列波到达时的高度与相加后的高度。改选“多走半个波长”，看看这三个高度怎样改变。这个模型暂不考虑波随距离变弱，因此变化只来自到达时的步调不同。

现在给刚才比较的两段路取名字。波源 1 到探测点的距离记作 r₁，波源 2 到探测点的距离记作 r₂，多走的距离就是 $r_2-r_1$。两个波源同步开始。如果路一样长，相同的起伏一起到达；多走一个完整波长，也仍然是对应的起伏一起到达，峰还是遇到峰。多走半个波长就不同了：一列到达波峰时，另一列恰好到达波谷，大小相等、方向相反的高度相加，在整个振动过程中都得到零。其他距离差会给出介于两者之间的结果。这种持续出现的加强与抵消图样叫干涉。路径上的波长刻度把“多走多少”画了出来；旁边的到达指示器则说明它为什么改变结果。

现在可以用同一个问题检验光。在双缝实验里，来自同一光源的光到达两条窄缝，窄缝后面的屏记录哪些地方光强、哪些地方光弱。屏上出现一条亮、一条暗交替排列的带，叫条纹。在暗纹中央，单独打开任意一条缝都能照亮这个位置，两条同时打开时却发生抵消。把光当成互不影响的普通小颗粒，不能预言这个结果；刚才的波动规则却能：相反的振动可以抵消。下面的器材模型显示窄缝和屏，路径图让我们选定屏上一点仔细比较。我们由此解释了干涉条纹，还没有解释光的所有性质。

先保持窄缝和屏的位置不变。刚才已经看到，抵消取决于多走的路相当于多少个波长，因此改变波长，发生抵消的位置也会改变。依次选择红、绿、紫，盯住屏上的一条暗纹：红光的间隔更宽，紫光的更窄。可见光的波长非常短，大致是 400 到 700 纳米；1 纳米是十亿分之一米。例如 500 纳米的绿光波长等于 0.5 微米，也就是 0.0005 毫米。路径图特意把波长放大，便于数清楚；屏上的条纹另外按双缝几何计算，并标明自己的尺度。完整的计算可以在双缝干涉这一页继续推导。

既然光是波，$v = f\lambda$ 对它也成立，其中 $v = c$。对于波长 $0.5\ \mu\mathrm{m} = 5 \times 10^{-7}\ \mathrm{m}$ 的光，频率是

每秒六百万亿次。不管光波里在波动的是什么，它都振动得快得惊人。

我们遇到的每一种波都需要介质。那么光的介质是什么？一个简单的实验就显示出难处。在玻璃罩里挂一个电铃，把里面的空气抽掉。空气越来越少，铃声也越来越弱，直到听不见，因为声音需要空气。可是你仍然清清楚楚地看得见那个铃：光穿过了抽空的玻璃罩。太阳和星星的光也穿过了几乎空无一物的太空。

于是 19 世纪的物理学家得出结论：整个空间，就连真空，都一定充满了一种看不见的介质，它的振动就是光。他们把它叫作「光以太」，意思是「承载光的以太」。这样，光就以速度 $c$ 相对以太传播，就像声音以 $343\ \mathrm{m/s}$ 相对空气传播一样。

绳子还让我们看清了一个接下来会用到的区别：绳段上下动，起伏却向右传；振动横着跨过传播方向，所以叫横波。还有一类实验，能从光的振动中选出一个方向，这叫偏振实验；它表明光也是横波。于是，机械以太不仅要能传递横向起伏，还要允许行星穿行，却不产生预期的阻力。给这种看不见的物质起个名字，并没有解释它怎样同时做到这些事。我们需要能用实验检验的解释，而不能因为见过的波都依靠物质，就断定任何波都必须是某种物质在抖动。

绳子的类比留下了一个问题：光能穿过近乎没有物质的空间，那么没有绳子、没有水的时候，那里有什么可以变化？要找到另一种可能，我们先认识电与磁的两个现象。物体可以带正电荷或负电荷；同种电荷相互排斥，异种相互吸引。为了描述一个带电物体会怎样影响某个位置，我们设想在那里放一个很小的正电荷，记录它受力的方向，以及每单位电荷受到多大的力。这组信息叫那个位置的电场，用 E 表示。图里用箭头代表它：箭头方向表示正电荷会被推向哪里，长度表示强弱。电场本身并不是一根箭头。改变下图中源电荷的正负，看看箭头如何反向。库仑定律会进一步给出随距离变化的数量关系，但理解眼前这个比较，不需要先记住另一页。

指南针提供了另一种检验。在磁铁附近，小磁针的指北端会转到某个方向。我们用磁场描述这种有方向、有强弱的磁作用，记作 B；磁场箭头表示小磁针指北端指向的方向。让电荷沿导线流动，也会影响附近的小磁针。电荷的流动叫电流。因此，磁场不仅与磁铁有关，也与电流有关。现在我们认识了两种不同的测量 E 和 B，它们的箭头不一定指向同一个方向。

反过来，磁铁能不能让导线里的电荷流动？把线圈和灵敏电表连接成一个闭合电路。线圈就是把导线一圈一圈绕起来。把磁铁向线圈开口推进，再让它停住：当穿过这些圈的磁场情况发生变化时，产生的电场会驱动电荷沿电路运动，指针偏转；磁铁停住后，这种变化停止，指针回到零。把磁铁拉回，指针向另一侧偏转。下面可以在运动中暂停，此时静止磁铁对应的电流立即归零。磁铁会真正进入空心线圈，所以我们能分清“在线圈里面”和“正在线圈里面移动”。我们需要的联系是：变化的磁作用可以带来电的作用。

19 世纪 60 年代，麦克斯韦把当时已知的电磁定律汇总起来，发现它们并不完整。为了让它们互相一致，他加上了一种效应，正好是法拉第发现的那种效应的镜像：变化的电场会产生磁场，就像电流一样。在当时这只是一个预言；下一章说明它带来了什么结果。

现在有理由考虑场本身了：变化的磁场与环绕的电场联系在一起，变化的电场又与环绕的磁场联系在一起。这些规律要同时成立，也就是说，空间里怎样分布、随时间怎样变化，必须彼此配合。求解这些规律，会得到一种 E 和 B 的图样向前传播的情况，即使传播区域没有电荷、没有物质，也允许这种情况存在。这就叫电磁波：“电”指 E，“磁”指 B。两个场共同变化，并不是一个先变完，另一个才接着产生。像发射天线中来回运动的电荷那样，加速运动的电荷可以发出这种扰动。这里说明的是场的规律允许什么结果；下一章再查看这些规律要求它传得多快。

模型显示的是这样一列向右传播的波。橙色箭头是电场，蓝色箭头是磁场，画在传播方向上的一些点上。注意三件事。两种场一起增大、一起减小，步调一致。它们互相垂直，并且都和传播方向垂直，所以这是横波，正和菲涅耳对光的发现一样。而且没有任何物质跟着移动：传播的是场的图样。

这一类波没有唯一的波长，因此我们需要一张地图，看看选定的波长属于哪里。下面的横向色带就是这张地图，叫电磁波谱。可以直接拖动色带上的标记，也可以用旁边的滑条或键盘方向键控制同一个数值。刻度上每跨过同样宽的一段，波长乘以十，而不是增加相同的米数。向长波方向移动时，频率降低，因为两者相乘始终等于 c。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、伽马射线，是这一个家族不同区域的名称；边界是大致的，一些分类还会重叠。可见光只占其中很小一部分。运动模型把波大幅放大并放慢了，画出来的波长是教学用的尺度，不是所选辐射实际长度的米尺。

图画出了一个可能的图样，但不能靠画图证明它的速度。我们要问的是：以多快的速度移动，才能让两条场的规律同时成立？这些规律里有两个常数：$\varepsilon_0$ 读作 epsilon 零，决定真空中电作用的数量尺度；$\mu_0$ 读作 mu 零，决定真空中磁作用的数量尺度。这里不推导场的基本规律，它们描述的是经过实验检验的关系。我们会用一个移动前沿的简化例子，跟着代数一步一步看它们怎样限制波速。先把这个例子中要测量的东西讲清楚。

在这个理想例子里，一个分界面以未知速度 c 向右走。前沿后方，E 向上，B 垂直屏幕向外；前沿前方，两者为零。取两个边长为 L 的假想正方形框作为测量工具，它们不是真实导线。对于垂直穿过平面的均匀场，把场强乘以面积，称为通量，用来衡量有多少场穿过我们选定的面。另外还要沿框绕一周，把场沿行走方向的分量逐段累加，这个量叫环量。如果只有一条边有贡献，而且那里场均匀、与边平行，累加结果就是场强乘以 L。电场的这个量表示每单位电荷获得的电学功；磁场的环量是磁场的测量量，不能理解成机械推力。下图用两种颜色的框，把这两种测量分开。

先看屏幕平面里的框 1。在一小段时间 Δt 内，前沿前进 cΔt；Δt 的意思就是“这一小段时间”。新覆盖的窄条宽 cΔt、高 L，面积因此为 LcΔt。磁场 B 垂直穿过它，所以磁通量增加 BLcΔt。再除以 Δt，得到增加的速率 BLc。法拉第定律把电场环量的大小与这个速率联系起来。框的四条边中，只有前沿后方那一条贡献环量，结果为 EL，因此 $EL = BLc$。两边都含有同一个不为零的长度 L，可以同时除去。这里比较大小，方向已在图里选定。

再看与屏幕垂直的框 2，这次 E 穿过它的面。沿用刚才窄条面积的计算，得到电通量每秒增加 ELc。在没有电流的区域，麦克斯韦—安培定律说，磁场环量等于这个变化速率乘以 $\mu_0\varepsilon_0$。磁场也只有一条边贡献环量，给出 BL，因此 $BL = \mu_0\varepsilon_0 ELc$。再次把两边除以 L。这条关系中的 E、B、c，与上一条关系指的是同一列波的同一些量，因此我们可以把它们联立。

现在我们对同一列波有两个结论，可以把一个代入另一个。用第二个结论里的 $\mu_0\varepsilon_0 c E$ 替换第一个结论里的 $B$，再把两边同时除以 $E$（在波里 $E$ 不为零）：

现在代入测量值。$\varepsilon_0$ 和 $\mu_0$ 的单位相乘得到 $\mathrm{s^2/m^2}$，所以结果的单位是 $\mathrm{m/s}$，正是速度应有的单位：

这正是光速。两个来自电荷、电流和磁铁实验的数，完全没有提到光，却给出了菲佐用轮子测到的那个速度。1865 年，麦克斯韦得出结论：光是一种电磁波。（我们的计算只用到了场的大小；完整的方程还确定了它们的方向，图里已经用上了这一点：$E$、$B$ 和传播方向两两垂直。）

如果光是电场和磁场的波，这些场又是「什么东西的」场呢？麦克斯韦和几乎所有人都认为：以太的。场是以太里的某种应变状态，$c$ 是光相对以太的速度。地球以大约 $30\ \mathrm{km/s}$ 的速度绕太阳运行，所以它一定在以太中穿行，于是在地球上测到的光速，在某些方向上应该比另一些方向稍快一点，就像在参考系那一页里，从站台上测到的走路人的速度取决于车厢的速度一样。

1887 年，迈克耳孙和莫雷比较了光沿两条互相垂直的路径往返的情况。让两束光重新相遇，会产生干涉条纹；两条路径的往返时间差稍有变化，条纹就可能移动。如果地球穿过一个静止的以太，转动仪器应当带来特定的条纹移动，但他们没有测到预期的移动。这叫零结果：在实验的灵敏度范围内，没有找到所预言的信号。它否定的是这一预言，不能只凭一次实验，就声称排除了任何可以想象的以太模型。光速不变这一页会逐步比较这两条路径。

爱因斯坦在 1905 年建立的狭义相对论，采用了另一组出发点：彼此作匀速直线运动的观察者，使用相同的物理规律，也测得相同的真空光速 c。这样，理论便不再需要一个属于机械以太的特殊静止状态，电场和磁场也不必解释成那种物质的形变。第 6 章的问题因此有了另一种回答：场的波动不需要像绳子那样的物质介质。这是得到实验支持的理论，并不是只凭抽气电铃就推出来的结论。接下来还有一件事要检验：光怎样把能量交给物质？

刚才用光在屏上形成图样，现在换一个任务：让光从物体表面带走一些东西。金属里有电子，它是一种带负电荷的微小粒子。有些电子能在金属内部移动，但要离开表面，仍需要获得能量。用合适的光照射干净的金属表面，有些电子就会逸出；这种由光引起电子发射的现象叫光电效应。下方器材把金属板放在抽空的玻璃管里，让光照到板上，另一块金属负责收集逸出的电子。每秒有电荷到达收集极，就形成电流，因此我们能用电表判断有没有电子到达。

这个实验为什么能帮助我们？先试一种简单想法：假设每个电子持续积累光波交来的能量，积够了就离开。光强指每秒送到一定面积上的光能量；增大光强，似乎就应让一个电子更快积够能量。这样想下去，频率低的光只要照得够久，也可能奏效；很弱的光则应该需要很长的积累时间。注意，这些是简单模型给出的预期，还不是实验事实。这里讨论普通弱光下的光电效应，一个逸出电子得到一个被吸收光子的能量；极强光下可能出现的其他过程，不包含在这个模型中。

实验观察与这个想法并不一致。把频率固定在金属的门槛以上，增大光强会提高电子逸出的速率，却不提高最大动能，也就是逸出电子中最大的运动能量。低于门槛频率时，不会发生这里讨论的单光子发射。实验也没有出现简单模型所预期的漫长能量积累等待。光很弱时，一次次到达仍有随机性；“不需要积够能量才能释放”不等于“开灯的同一瞬间必定有第一个电子”。下面会解释这些结果。操作器材时，每次只改亮度、颜色或金属中的一个，看看哪一项改变了读数。

爱因斯坦的解释是：光的能量并不是平平地铺在波里，而是一份一份的，后来每一份被叫作光子。频率为 $f$ 的光，每个光子带的能量是

这里 h 叫普朗克常数，约为 $6.626 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$。J 是能量单位焦耳；把 h 乘以每秒的振动次数，便得到以焦耳计的能量。在单光子模型中，电子通过一次吸收得到一个光子的能量。它至少要拿出能量 W 才能离开表面；W 叫逸出功，取决于材料和表面的情况。剩下的能量成为动能。有些电子在金属内部还会损失更多能量，所以这个减法给出的是可能达到的最大动能，记作 $K_{\max}$，不是说每个逸出电子都一样快：

先保持频率不变。光束增强，表示每秒到达的光子更多，但每个光子的能量 hf 不变，因此逸出速率可以增加，最大动能却不增加。如果 hf 小于 W，一个光子提供的能量就不够。边界出现在 $hf_0=W$，所以门槛频率是 $f_0=W/h$。再用 $f=c/\lambda$，可得对应的最长波长 $\lambda_0=c/f_0$；下标零在这里标记边界。这些结论沿用刚才介绍的单光子模型，不是在断言任意强的光都不会产生其他作用。

这些能量用焦耳表示时有很多零，因此我们引入一个较小的能量单位。先说明电压：它量的是两个位置之间，每单位电荷能转移多少能量。1 伏特对应每库仑 1 焦耳；库仑是电荷的单位。电子电荷量的大小是 $e=1.602\times10^{-19}\ \mathrm{C}$，让它沿加速方向通过 1 伏特的电势差，就转移 $1.602\times10^{-19}\ \mathrm{J}$ 的能量。把这个量叫一个电子伏特，写作 eV；它是能量，不是电压。对于光子，把 $f=c/\lambda$ 代入 $E=hf$，得到 $E=hc/\lambda$。再把焦耳换成电子伏特，就能得到下面便于计算的关系。

例如，450 纳米蓝光的光子能量约为 $1240/450=2.76\ \mathrm{eV}$。模型为钠表面选用的代表性逸出功是 $2.28\ \mathrm{eV}$，真实表面的数值可能不同。因此最大动能约为 $2.76-2.28=0.48\ \mathrm{eV}$。590 纳米黄光的光子只有约 $2.10\ \mathrm{eV}$，低于这个模型表面的逸出功，在单光子过程中便不能使电子逸出。看电表以前，先比较光子带来的能量与离开表面所需的能量。

我们还需要测量逸出电子能量的办法。让收集极带负电，它就会排斥同样带负电的电子。用 V 表示这个反向电压的大小，电子在途中损失的能量就是 eV，其中 e 是刚才定义的电子电荷量大小。电子的动能至少达到 eV，才能到达收集极。逐渐增大 V，直到没有电子能通过，这个边界叫遏止电压，记作 $V_s$，满足 $K_{\max}=eV_s$。根据电子伏特的定义，最大动能为 0.48 eV，就对应 0.48 V 的遏止电压。把反向电压设为零时，可以比较两种金属的发射情况。慢慢增大反向电压，看看各自的电流在何处降到零。旁边的图比较频率与最大动能，每种模型表面对应一条线。电流刻度仅用于示意，其具体下降形状不是实测的电流—电压曲线。

现在要同时保留两件证据：干涉取决于波的相加，能量交换却表现为一个个光子事件。如果一次只探测一个光子，还能积累出干涉条纹吗？可以使用专门产生单个光子的光源，让光经过双缝，并记录每次探测的位置。下面的模拟以干涉图样给出各个位置的到达可能性，再逐个画出探测点；它不是实测数据的录像。

每次理想的完整吸收发生在一个局部位置，在图上记成一个点。最初几个点并不能显示清楚的图样。积累更多探测后，一些带状区域出现很多点，另一些区域却很少；它们对应刚才研究的明暗条纹。低的到达速率让我们能跟上每一次探测。保持器材不变、增加速率，可以比较图样出现得有多快。速率改变的是积累证据的速度，不是条纹的位置。数量很少的一组点，也不必恰好长得像最终分布。

物理学是这样描述的，尽可能说得直白：波告诉我们光子可能落在哪里。波的图样亮的地方，光子很可能落下；暗的地方，光子几乎从不落下。而每个光子本身都是整个地到达一个地方，在那里交出它全部的能量 $hf$。单靠哪一种图景都不够：光以波的方式传播，以光子的方式到达。这种双重行为叫作波粒二象性，后来发现电子和原子也是这样。在双缝干涉那一页，你可以更仔细地用一次次探测积累出这个图样。

以太和光子都看不见，又都「和光有关」，所以很自然会想：光子会不会只是以太的现代名字？不是。它们是完全不同种类的东西，而它们之间的差别，正是这一页里的那些实验所确立的。

它是什么。以太被认为是一种介质：一种充满空间的物质，它的振动就是光，正像空气的振动就是声音一样。光子不是光在其中传播的东西，它是光本身的一份：频率为 $f$ 的光能够交出或带走的最小一份能量 $hf$。

机械以太被设想成永久充满空间的物质背景。光子不同：物质可以发射光子，也可以吸收光子；探测器吸收一个光子，这个光子的这次传播就结束了。肉眼看到的黑暗不等于没有任何光子：封闭盒子的温暖内壁仍会发出眼睛看不见的红外辐射。我们要区分的是，被假设永久存在的物质介质，以及可以被产生、传播、再被吸收的辐射。

机械以太还被设想成一个特殊的静止背景，用来测量所有物体相对它的运动。迈克耳孙—莫雷实验没有找到静止以太模型所预言的方向差异。在狭义相对论里，对每一位惯性观察者，也就是不加速、作匀速直线运动的观察者，真空中光子的速度都是 c；不存在一位这样的观察者能陪着光子走，并看见它静止。因此，光子不能充当那种以太模型所设想的静止物质背景。

能不能数出来。以太是连续的，像一块果冻。光子却是一个一个的；在第 12 章里，你看到了它们一个接一个地到达。

下面的模型用最简单的情况显示这个区别。一节车厢以速度 $v$ 在画面中移动，车厢上的观察者测量光脉冲向前、向后经过的速度。左边是「光是以太中的波，以太在画面中静止」：观察者应该测到前方 $c - v$、后方 $c + v$，正和参考系那一页里走路的人一样。右边是所有实验实际发现的：两个方向都是 $c$。

我们仍然使用“场”这个词，所以可以继续问：电磁场是不是只给旧的物质以太换了名字？关键区别在于，空的真空不挑选一个特殊的惯性静止状态。一束特定的光，或者某个器材产生的磁场，当然可以有方向，也可以与它的源存在运动关系；这不是为整个宇宙规定一个物质静止背景。在量子理论里，一个光子是电磁场的一份激发；在指定频率 f 下，它携带能量 hf。这样可以连接场与光子的描述，却不需要把光子当成机械介质的材料。