1869年俄国科学家门捷列夫将发现的元素，按照相对原子质量由小到大排列，将化学性质相似的元素放在同一纵行，编制出了这张元素周期表。如果你仔细地观察这张表，你就会发现这张包含了118个元素的元素周期表，却唯独没有光。

元素周期表

(资料图)

伟大的天才发明家尼古拉·特斯拉，1899年在他位于科罗拉多斯普林斯的实验室里，接受《永生》杂志的采访时说，“一切都是光；物质诞生于最原初、最永恒的能量，即我们所知的光”。尼古拉·特斯拉的这段看似莫名其妙的话，却揭示了宇宙最核心的秘密：所有的物质或许都是从光里产生的。而光又是宇宙中最常见的一种东西，那么光究竟是什么？或者说光的本质是什么？为什么说光明是宇宙的终极秘密？这还得从我国发射的一枚世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”说起。

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潘建伟

2016年8月16日1时40分，在我国酒泉卫星发射中心成功地发射了一枚世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。为什么这颗量子卫星要用墨子来命名呢？中国科学院院士、物理学家潘建伟说:"卫星之名取自于我国科学家先贤，体现了我们的文化自信。"墨子是中国历史上唯一一个农民出身的哲学家，也是一位鲜为人知的伟大科学家，《墨经》中有这样一段记载：“光明之人，煦xù若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光故景库内也。”

这段话的意思是说：墨子做了这样一个实验，在屋子的一面墙上凿一个小孔，屋外站一个人，光线穿过这个人，并且穿过小孔透进屋子，于是你能看到屋子的墙上会呈现一个倒立的人影。这也是世界上第一个"小孔成像"实验，该实验解释了小孔成像的原因，而这正是现代照相技术原理的起源。

墨子是最早通过小孔成像实验发现光是通过直线传播的科学家，墨子的小孔成像是其后的一系列光学发展的鼻祖，小孔成像是光学中一条非常重要的原理，但是要想进一步了解“光”的特性，就需要用抽象的形式把光剥离出来，听起来是不是就觉得很抽象，不过科学家总是有办法，他们运用一种全新的研究方法：数学。

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公元前300年左右，欧洲诞生了一个非常了不起的人物，他叫欧几里得，是古希腊的数学家，被称为几何之父。他撰写的《几何原本》，奠定了西方数学的几何基础，成为了西方最成功的教科书之一。欧几里得除了在数学上的伟大建树外，还利用几何学发现了光的秘密。在一次测量神庙地基的时候，他发现远方的柱子比人要大很多，但是看上去竟然和眼前的手指差不多大小，他认为人的视觉感官的成像原理就是近大远小。

于是他运用几何学原理，反复地计算光线的角度，结果发现光线的入射角完全等于反射角。从此人类对光的研究，也开始运用数学的原理掌控光的性质。根据几何原理，欧几里得总结出，只要控制光的入射角度，就可以用不同的三角形，完全预测光线的走向。后来欧几里得根据自己对光的研究，撰写了《反射光学》。人类对光的理解又上升了一个台阶。古希腊时代的天文学家托勒密，就曾专门做过光的折射实验，并得出了“折射角与入射角成正比”的结论。

1200年之后，阿拉伯伟大的伊斯兰学者阿勒•哈增（965-1038），在视觉生理学方面进行过深入的研究。他认为，视觉是在玻璃体中得到。比如“网膜”“角膜”、“玻璃状体”、“前房液”等术语都是阿勒·哈增的发明。阿勒·哈增从希腊人那里学到了反射角的定律，他认为光线是从被观察的物体以球面形式发射出来的，但他进一步指出，入射线、反射线以及法线都位于同一平面上。后来他将自己毕生对光的研究，撰写成了《光学全书》，书中解释了光的反射、折射定律，并作了精确的计算。

两个世纪之后，1214年出生的英国具有唯物主义倾向的哲学家和自然科学家罗杰·培根，在33岁的时候，加入了方济各会做了一名修士，这个方济各会就是天主教托钵修会之一，1209年由意大利人方济各所创。加入方济各会的罗杰·培根，用全部的财力置办了一个完整的炼金术实验室，开始研究包括炼金术、语言学、光学以及数学和天文学。他怀疑推理演绎法，坚持经验的可靠性。因此也被称为实验科学的先驱。

他对光的性质和彩虹的研究颇有独到之处，绘制了眼镜的制作、阐述了反射、折射、球面光差的原理，后来因用自然原理解释神迹，这个神迹也就是我们说的彩虹，因此违背了神圣的教义被监禁。基督教也利用对光线和天文的研究，对每日中午光线通过小孔投射到教堂内部铜钟上的不同位置，来计算历法，并以此来控制信徒。

当时，人们无法想象驱散黑暗、充满物质世界的光，其实也是万物的缔造者。因为从墨子到欧几里得到阿勒·哈增再到罗杰·培根，他们的研究不管是光的直线传播，还是光的反射甚至折射现象的发现，这些都只是光的物理性质。也就是说这只是光的表面现象。那么光的深层次现象又是什么呢？这个问题的答案，要等到400年后，人类历史上的第一个科学伟人的出现？

光的色散 点击观看完整视频

时间来到1672年，一个年仅29岁的英国小伙子，因为制造了一台杰出的望远镜而被当选为英国皇家学会的会员。有观众老爷知道这个年轻小伙子是谁吗？没错他就是万有引力的发现者艾萨克·牛顿。很多人只记住了他在力学上的贡献，却忽略了他对光学的影响。如果你打开百科，就会有这样一段描述：牛顿在光学上，他发明了反射望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。

那么这个被苹果砸中的神人，是何时对“光”产生了兴趣的呢？这还得从1665年到1666年爆发在英国的大规模传染病说起，这是一种由鼠疫杆菌造成并以跳蚤为载体的细菌感染，此次瘟疫共夺走了8万人的生命，相当于伦敦五分之一的人口，故此也被史学家称为伦敦大瘟疫。

时年22岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到了乡下老家居住，也就是这个时候，他就已经在光学领域做出了深刻的思考，他提出了一个与众不同的问题，光为什么能进入眼睛？要是对眼睛施加外部的压力，光会因此做出改变吗？

于是他用一根小木棍，塞在眼珠与眼眶之间。这个行为非常危险，各位看官千万不要尝试。然后他用力一点一点地向眼睛内部插入，他的眼球承受的压力越来越大，疼痛感也在逐级上升。突然牛顿发现眼睛焦点的外围，有一圈七色的彩光，牛顿此时感到既兴奋又好奇，他忍着疼痛，继续观察，发现这一圈七色彩光的布局，竟然和彩虹如出一辙。彩虹怎么长进眼睛里了呢？牛顿猜想彩虹难道是光的本源之相，是光的属性的一部分。

一年以后，也就是1666年的仲夏，牛顿在光学方面的研究，取得了历史性的突破发现。这还得从牛顿的一个实验说起。一天牛顿带着一顶厚重的假发在一间小屋子里发呆，突然他灵光乍现，然后就用尺子在屋子里一通测量，测量完毕后，在屋子靠南的某个位置，开凿出了一个圆形的小孔。然后牛顿将屋子里的窗户全部封死，所有的窗帘也被他拉上了。

此时的屋子里面又闷又热，漆黑一片。只有一束光从开凿的那个小孔里射了进来。由于是炎热的夏天，在这个密不透风的小屋里，牛顿身上汗如泉涌、但是他依然全神贯注地在屋里走来走去。并不时的将一块三菱镜放在小孔入口处，拦截光线，然后反复的调整位置，使阳光的入射角与反射角，完全相同。就在此时，奇怪的事情发生了，当三菱镜拦截光线的入射角与反射角相重合时，原来的那束白光就不见了，而是在墙上得到了一个彩色光带，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。这个实验也被称为色散实验。

牛顿发现红光和紫光始终都处在光带的两端，这是怎么回事呢？牛顿进一步观察分析，发现紫光的偏折角度最大，红光的偏折角度最小，所以这两种颜色的光就在光带的两端。这一伟大的发现，牛顿只用了两个字表述了这个现象——光谱。根据牛顿的色散实验，我们知道白光可以被分解成七色的纯光，那么纯光还能够再次被分解吗？

于是牛顿启动了色散实验2.0。他在彩色光带中导出了一束红色纯光，然后用三菱镜进行入射角与反色角的调整，可是不论怎么调整，红色纯光不再被分解其他光线。他得出结论：同一颜色属于同一种折射率，光的色散是在不同的折射率中产生的。所以光是一种粒子。为此牛顿也把光的复合与分解比喻成不同颜色微粒的混合与分开，其组成部分非常的微小。但是牛顿依然无法解释光为什么会有颜色，要破解光为什么会有颜色的问题。就得请出另一位大神。

光色之源

时间来到1831年10月17日，英国物理学家迈克尔·法拉第，把两条独立的电线绕在大铁环上，当给其中一条导线在通电和断电的瞬间，另一条导线出现了电流！然后，他让一块磁铁通过导体线圈，线圈中也产生了电流！这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应，这一发现永远改变了人类文明。产生的电流叫做感应电流。他把这种现象称之为“电磁感应现象”后来他依照此规律，用铜盘在磁铁中转动，发明了人类第一台发电机，为第二次工业革命提供了最坚实的基础。

就在法拉第发现电磁感应的同一年，在苏格兰爱丁堡出生了一个叫做麦克斯韦的男孩。在他23岁刚从剑桥大学毕业的时候，一个偶然的机遇，看到了法拉第早年撰写的《电学实验研究》。自此对法拉第崇拜不已，潜心钻研了法拉第的研究理论，发表了题为《论法拉第的力线》的论文。并将这篇论文邮寄给了法拉第。法拉第看后十分喜爱。在1960年的时候，两个相差40岁的人，因为电与磁的研究成为了忘年交。

受到法拉第的鼓励后，麦克斯韦决定用数学解释电场、磁场与电荷密度、电流密度之间的关系，当时的人很难理解，数学怎么能解释这些复杂的电磁关系。经过漫长的打怪升级，麦克斯韦终于创造了四组麦克斯韦方程式。麦克斯韦方程组，也被誉为是人类有史以来最美的物理学方程之一。然而此时精彩的故事才刚刚开始。这四个方程里面隐藏了一个天大的秘密。

麦克斯韦方程

麦克斯韦经过计算证明：电场和磁场并非单独存在，而是统一于电磁场之中。什么意思呢？如果在真空中存在一个振荡的电场，那么在振荡电场的周围就会产生磁场，而这个磁场又会进一步产生电场…如此往复，电磁场就可以向远处传播，形成电磁波。通过计算发现电磁波在真空中的速度刚好等于光速，于是麦克斯韦大胆预言：光就是一种电磁波。

这也同时解释了牛顿的有疑惑，光为什么会产生颜色，这是因为电磁波在不同不同频率震动下产生的。经过几十年的发展，科学家已经探明了全波段的电磁波，从短波射线到长波无线电。这些都是光，只是有的是可见光，有的是不可见光而已。牛顿说光是粒子，麦克斯韦说光是波，那么光的真面目究竟是什么？它为什么存在双从人格。这就要回到爱因斯坦的时代，去寻找答案。

宇宙上限 点击观看完整视频

时间来到1895年，16岁的阿尔伯特·爱因斯坦，因为考试不合格，没能顺利进入瑞士理工学院读书。但是却自学了微积分。也正是这个时候他开始思考一个更为高升的问题，光速为什么是宇宙一切物体运动速度的上限，要是一个人以光速运动会看到什么现象。对于这个问题，爱因斯坦用了10年的时间，也就是1905年的时候，年仅26岁的他发表了一篇《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章，总结出了一个数学方程，也正是这个方程彻底改变了人类对世界的认知。这就是著名的质能方程（E=mc²）。

质能方程是描述质量与能量之间的当量关系的方程。E表示能量，m代表质量，而c则表示光速。也就是说光和能量与质量可以产生互换。爱因斯坦的光速不变原理认为：当物体的运动速度接近光速时，它的质量将趋于无穷大。什么意思呢？如果以光速运动，时间就会停止。换句话说，物体的运动速度要想达到光速，所需要的能量也是无穷大的。而人类永远无法停止时间，因为按当前人类的认知来说，达到光速的可能性几乎为零。

爱因斯坦进一步研究，发现光是整个世界的最基础，也是宇宙的最基本的组成部分。同时光似乎和物质、能量以及时间有着密不可分的联系。爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。根据广义相对论，光在大质量物体附近传播时，由于受到该物体强引力场的影响，光的传播路径也会发生相应的偏折。爱因斯坦认为光是能量的一种传播方式。

从牛顿的光是一种粒子，到麦克斯韦的光是一种波，再到爱因斯坦的光是能量的一种传播方式等成果来看，人类似乎离光的本质越来越近了。但这些依然只是光的初级阶段。关于“光”更为古怪的现象发现，还要从一个中国人说起。

反物质

时间来到1929年，在加州理工大学卡文迪许实验室里，时年27岁的中国物理研究生赵忠尧，用高能伽马射线的光子束轰击重金属铅，一个反常的现象发生了，在伽马射线撞击金属铅以后，却产生了一个能量为0.5万电子伏特的光，也就是说，赵忠尧创作了一条不规律的光。随后他在将研究结果先后发表在《硬γ线的吸收系数》和《硬γ线散射》的论文中。

他认为给真空赋予能量，会从真空中激发出一个电子，产生一个空穴（正电子），随后电子又落回到空穴，也就是负电子和正电子湮灭就变成了两个光子，说的直白些正物质和反物质能量相撞发生物质湮灭，就会产生光。

为什么是两个光子，而不是一个光子呢？因为这个光子可以朝着相反的方向射出去，这样就能保证不仅能量守恒了，动量也守恒了。这也是人类历史上，首次证实了反物质的存在。虽然这个现象至今都没有得到合理的解释，但是科学家却提出了一个更为古怪的问题，物质湮灭能够产生光，那么光能够产生物质吗？

光子对撞

为了解决光是否能够产生物质的问题，我查阅的大量的资料，甚至斥巨资在某网下载了相关的研究文献。时间来到1934年，布莱特和约翰·惠勒两位物理学家提出了一个理论，他们认为当两个高能光子发生碰撞时，会产生一个正电子和一个负电子，即形成物质。

在理论上光是可以转化成物质的，这就是将光线转变为物质的最简单设想，也被称为布莱特惠勒效应。然而在随后的几十年的研究中，科学家也一直没有在实验中成功论证这个理论。后来有研究人员提出，通过“光子与光子”的碰撞机制直接合成物质的理论，可以借助现有技术实现，这将是一种全新的高能物理实验。说起来容易，可是做起来却满是不容易。

直到2021年7月30，美国设于纽约长岛萨福尔克县的布鲁克海文国家实验室，以许长补为领导的一个研究团队，使用两个“金”离子，在同一直线将金核加速到99.99%的光速，向相对的方向运动，当金离子相互通过时，围绕离子的电磁云中的光子，就相撞到了一起。奇怪的事情发生了，光真的生成了物质，正负电子对。这些电子和正电子的质量分布、能量和量子状态与布莱特惠勒效应的分布一致。物理学家们在光子碰撞中，找到6085个具有相应特征的正负电子对。

在一个额外的实验中，科学家们还检查了碰撞过程中产生的光子，是否具有正常光粒子的特征，这也得到了证实。北京大学物理学院发表的一篇研究论文《光子对撞机产生正负电子对的数值方法》中写到，“光子对撞”产生正负电子对的过程, 是由能量直接产生物质的过程, 物质的起源与光子 物理在理论的研究中有着极为重要的作用。

你是不是以为，人类对光的了解已经很成熟了，其实这才只是刚刚开始。关于光对光的理解依旧还需要有很长的路要走。看到这里，你是否已经明白了视频开头，尼古拉·特斯拉说的那句“一切都是光”是什么意思了吧。那么问题来了，在120多年前，特斯拉是怎么知道“光”的秘密的呢？点击观看完整视频

关键词： 欧几里得 人造卫星 共擎武汉号