光的理解

光学现象

• 反射：镜子
• 折射：池底看起来浅，水中筷子变折
• 散射：瑞利散射产生蓝天，米氏散射产生白云
• 色散：雨后彩虹
• 衍射：佛光现象
• 干涉：蝴蝶翅膀五彩，水上的油膜
• 偏振：晶体的旋光性
• 光电效应
• 光无质量但具有动量和能量
• 光寿命无限
• 湮灭产生光

光是光线

几何光学的4条基础定律为：

• 第一定律：光在各向同性、均匀介质中沿直线传播；入射波、反射波、折射波的波矢量，与界面的法线共同包含于“入射平面”
• 第二定律(反射定律)：反射角等于入射角
• 第三定律(折射定律)：又称为“斯涅尔定律”
• 光第四定律(光路可逆)：任何光路都可以逆向传播

线的轨迹可逆 符合生活认知，解释一些光学现象；

但仅是对光的传播进行归纳，提出数学模型，没有基于原理解释

光是微粒子

1687年，牛顿《自然哲学的数学原理》出版，继而1704年著作《光学》，将光当作粒子。

• 光的反射——光粒子遵从牛顿第三定律
• 光的折射——不同介质对光粒子的万有引力不同，光速小的介质会吸引光粒子向法线靠近
• 光的色散——不同颜色的光球具有不同的质量，所受引力程度不同，红光粒子质量最小，折射率最低该微粒子定义并不等同与现代物理上的粒子，只是一个比较粗糙的概念

光是波

托马斯杨的双缝干涉实验，投影屏上产生明暗相间的条纹——意味光会互相影响而消失或增强，光的微粒说不能解释暗条纹的产生原因 而光的波动说可以很好解释干涉现象和衍射现象，波峰与波谷相遇，光相互抵消形成暗条纹；波峰与波峰相遇，光相互增强形成亮条纹 同时根据惠更斯原理，波动说还能解释传播、入射、反射等现象；但无法解释色散现象

光是电磁波

既然光是波，那么是横波还是纵波？

即质点的运动方向与波的前进方向二者之间关系

1809年，马吕斯发现的偏振现象意味着光是横波；

1865年，麦克斯韦方程组总结了所有电与磁的现象，完成了电磁的统一；根据方程推测的电磁波传播速度几乎相等于当时测量到的光速，继而预言光是电磁波，那么光就是互相垂直的同相振荡的电场和磁场——光的偏振方向是电场方向，可以很好解释偏振现象

根据光的电磁理论，光的电场能使介质中的原子极化，可以原理上解释光会反射和折射；

同时，使用频率重新定义光的颜色，继而可以解释色散现象，可见光仅是可见电磁波的很小一部分

此外，根据电磁理论，振荡的带电粒子能产生电磁波，解释了光的产生机制

光的电磁理论否定了微粒说，因为粒子不可能发生偏振；加强了波动说

光速是不变的

为证明介质以太的存在，根据波动学，逆向以太的光应慢于正向于以太的光；

但迈克尔森和莫雷的实验表明，光速对于不同观察者是一样的

1905年，爱因斯坦以光速不变作为假设建立狭义相对论，指出空间是相对的，依赖参考系，由此可观察到钟慢效应、尺缩效应，同时有质量的物体不能达到光速，修正经典力学

光是光（量）子

电磁理论无法解释光电效应，触发光电效应只和光的频率有关，低于阈值频率的光无法产生光电效应。

爱因斯坦假设光是光量子，单个光子的能量只与频率有关，电子一次只能吸收一个光子能量发生跃迁，完美解释光电效应，1921年获得诺贝尔物理学奖；

光量子也能解释黑体辐射规律和原子离散光谱

光子的质量为零，光子的寿命无限长：137亿年前的光子依旧在宇宙传播

光既是粒子又是波

波更能干涉和衍射现象，粒子更能解释光电效应，光具有波粒二象性

1909年，泰勒进行单光子通过双缝干涉实验，发现投影屏依然出现干涉条纹；电子双缝干涉实验同样如此

光是概率波（波函数）而非粒子波，观察时概率波坍缩得到确定值，该确定值即是粒子；当然电子在原子中也是电子云（波函数）

光能制造物质

对于动量守恒、能量守恒和电荷守恒，只要符合这三条定律，任何过程都是有可能发生的粒子标准模型：基本粒子之间可以相互转换

1927年，狄拉克方程发现反物质的存在，物质与反物质（质量也是正的，质量是物质的固有属性）相遇，湮灭后产生高能光子；两个光子碰撞，产生电子和反电子也是允许的，1933年，布莱克特实验证明

光是虚粒子

量子场论：量子场激发随机产生量子，虚光子是传递电磁力的载子

光是规范玻色子

几何对称性

若能对几何形体施行某种操作使它的位置能完全复原，就说这个形体具有几何对称性。

物理的对称性

若某事物，某性质，某规律在某种变换之后仍保持不变就称为具有对称性，也称为某种变换下的不变性。

物理学将对称性、在变换下的不变性、不可区分性和不可认测性给予相同的含义。

物理定律的对称性，即物理定律在某种变换下的不变性，包括时间平移(物理定律在任何时刻都是相同的)、空间平移和转动(在有限宇宙空间内物理定律在空间的任何位置都相同)、空间镜像(物理定律在空间上是左右对称的)、惯性坐标系变换（所有惯性系对物理定律等价）等物理定律的对称性导致了守恒定律的出现。

每一种对称性就对应一个守恒定律，这一论断被称为诺特定理；

• 时间的平移不变性对应着能量守恒定律
• 空间平移不变性对应着动量守恒定律
• 空间旋转的不变性对应着角动量守恒

宇称变换（宇称倒装）

一个在一个三维座标系中其中一维的翻转 ，在三维空间之内，它也可以是一个在x, y, z 轴中同时进行的翻转变换在物理学中，宇称不守恒是指物理定律在宇称变换（parity transformation）下不是保持不变的。宇称变换是将空间中的坐标点的位置取反，即通过将所有坐标的值取负来实现。宇称不守恒与宇称对称性相对立，不属于对称性的范畴

规范对称性

在拉格朗日量和运动方程在规范变换下保持不变的性质,是构造规范理论的基本原理。每一个规范对称性对应一种力或是相互作用

电磁场满足规范对称性

群论环节

U(1)：这代表一个简单的U(1)对称性群，它是电磁相互作用的对称性群。U(1)对称性群对应于电磁场，U(1)只有一个生成元，对应一种粒子，也就是光子。这个对称性群描述了电荷的守恒，即在物理过程中电荷总数保持不变。

SU(2)：SU(2)代表特殊单位群，它是弱相互作用的对称性群。SU(2)对称性群用于描述轻子的弱相互作用，U(2)有三个生成元，对应三种玻色子，如正负W玻色子和Z玻色子的相互作用。这个对称性群与弱相互作用的规范玻色子相联系。

SU(3)：SU(3)代表特殊单位群，它是强相互作用（或量子色动力学）的对称性群。SU(3)对称性群用于描述夸克之间的相互作用，夸克是构成核子的基本粒子，U(3)有八个生成元，对应八种胶子（玻色子），如质子和中子。这个对称性群与强子的相互作用有关，而相应的规范玻色子被称为胶子。

第四种力——重力/引力，尚不清楚是否存在规范玻色子——引力子。这是大一统理论的障碍。

拓扑量子学

费米子是 “组成物质 ” 的基本粒子，例如电子，质子，中微子，夸克这些都是费米子；玻色子是在不同的费米子之间传递相互作用的（组成场的粒子），共有5个玻色子如光子，胶子，Z和W玻色子——自旋为1，希格斯玻色子自旋为0；

费米子是半整数自旋，玻色子是整数自旋；

费米子直接使用费米-狄拉克方程，玻色子则是Klein-Gorden方程；

费米子有泡利不相容原理，导致了费米子的研究方法会更复杂一些；玻色子不遵循泡利不相容原理。


光子（玻色子）

电磁力属于U(1)规范对称性，只有一个生成元，传递电磁力作用的只有光子一种

光子质量为零，玻色子带质量将打破规范对称性

光子存在意义，保全带电粒子的规范不变性

相信光