文小剛：光的奧秘和空間的本源

科技 07-12

文小剛美國麻省理工學院物理系

"無名天地之始;有名萬物之母。故常無欲以觀其妙;常有欲以觀其徼。此兩者同出而異名同謂之玄。玄之又玄衆妙之門。"

── 老子

這是賽先生新專欄【眾妙之門】的第一篇文章。這一專欄主要是想介紹自然之理物性之理。展示自然大觀的豐富和人類智慧的深刻，以及它們之間精彩的對決。由此我們可以欣賞人類文明發展的脈絡。

光是什麼?

這似乎是一個很簡單的問題，然而歷史上，它卻開啟了人類的智慧和視野。對光認識的演化，反映了人類文明的進程。

對於光是什麼這個問題，相信很多人都會回答：光是太陽發出的東西。但這並沒回答我們真正想要問的問題。我們真正想要了解的是光本身究竟是什麼?

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圖1三位歷史上曾經對光的理解做出巨大貢獻的物理學家。

在較早期時代，大科學家牛頓認為光是一束粒子。為什麼會這樣說?因為光以直線行走，而且我們可以將光束分成很多部分。你可以阻擋部分的光，而剩餘的部分會不受影響的通過。另一些科學家，如虎克 (Hooke)，惠更斯(Huygens)則認為光是波，而非粒子。光是波這種說法有點兒奇怪，似乎採用了一個不太自然的角度來看光。

這兩種理論哪一個才是正確的呢?也就是說，那一個理論能夠圓滿解釋光的現象?

折射是光的一個基本現象。當光線經過一個媒介時，例如玻璃，光線前進的方向會彎曲，更垂直於玻璃的表面(見圖2)。我們如何解釋光的折射現象呢?根據牛頓的粒子理論，當光線照射到界面上，光的粒子會感受到有一股力將它們拉向媒介內。這些粒子前進的方向便會改變，因而造成光的折曲。當光線離開玻璃時，粒子會感受到相反的力。所以，光線會折向另一面，這就是粒子理論對摺射的解釋(見圖3左)。但按照虎克和惠更斯波動理論，光就是波。當波照射在界面上，波會在媒體內會減慢速度，使波面以至光線彎曲，這就是波理論對摺射現象的解釋。

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圖2。光從玻璃片經過時折射現象的實驗圖景

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圖3。光折射現象的粒子和波理論的解釋示意圖

請注意，這兩種理論好像有很不同的結論。在粒子理論中，光在媒介里的速度比較快;但在波動理論中，光在媒介里的速度卻比較慢。由此可見，這兩個理論會有很不同的結果和預測。究竟哪一個才是對的呢?在科學界里，我們會利用實驗來作判斷。你可以提出不同的理論，得到不同的結論，但這些都必須通過實驗來驗證。實驗發現，在媒介內光的速度會比較慢。這告訴我們波動理論勝出。雖然用波動理論來看光不是一件很自然的事，但這理論卻反映了真實的光，即光就是波。

波動理論除了能夠解釋光在媒介內會減慢速度外，還有更引人注目讓人吃驚的預測。當光是波時，光就會有一種所謂的干涉現象。當你將兩個波迭加時，如果波峰對著波峰、波谷對著波谷，便會形式一個較強的波(見圖4a)。但如果你將兩波調校至波峰對著波谷而波谷對著波峰時，兩波合起來便會互相抵消，什麼都沒有了(見圖4b)。這就是波的一個非常特徵的性質。在光的粒子理論里，就沒有這個干涉現象。

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圖4 光干涉現象的示意圖

在光的粒子理論中，當我們將兩部分粒子放在一起時，光的強度只會增加;但在光的波動理論中，當我們將兩個波同樣地放在一起，光的強度可能會增加或減少，取決於它們如何排列(見圖5)。

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圖5 光的相長干涉和相消干涉示意圖。

人們可以透過牛頓環這個實驗，來看到光的干涉現象，進一步確定了光的波動性質。在這個實驗里，我們把凸玻璃置於另一塊平面鏡上，這樣它們之間就有細小的空氣層(見圖6)。當光線照射時，光線會分別被玻璃面和鏡面反射。如果兩光線能夠波峰對著波峰，波谷對著波谷排列的話，相長干涉便會發生。但如果光線照射到另一處位置時，波谷對著波峰，則會發生相消干涉。在凸玻璃和鏡的中央，凸玻璃的底面和鏡的上面互相緊貼著，這時光線是同相的。當光線遠離中央時，空氣層就會越來越大。最終，反射光線會發生相消干涉(見圖7)。這就解釋了為何會首先看見暗帶。當距離越來越大時，兩波會再次排列成波峰對著波峰，你就會看到亮帶，如此類推。這個實驗給出光就是波的證據。

圖6 觀察牛頓環的實驗裝置。

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圖7 用綠色光拍到的牛頓環的實驗圖景。

以上實驗採用的是綠色光，但假如你改用白色光，你仍然可以看見環帶，而且還有顏色(見圖8)。當你仔細地看亮環的外緣時，你會發現，顏色是紅色和黃色，為何會是這樣呢?這原因就是白光中擁有所有顏色的光。對於某些顏色的光，第一個暗環會較為靠近中央。但對於另一些顏色的光，環帶會較遠離中央。對於藍光而言，相消干涉首先發生，藍光暗環較為靠近中央。這時，我們看不見藍光，我們所能看見的就是紅光和黃光。所以，中央亮斑外緣是紅色和黃色。紅光和黃光接著發生相消干涉，而形成暗環。所以，亮環的外緣是紅色和黃色。

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圖8 用白光拍到的牛頓環的實驗圖景。

這個實驗不僅解釋了光的干涉和折射現象，更讓我們理解究竟什麼是顏色。其實，我們眼睛所看見不同的顏色出自於不同的波長(見圖9)。牛頓環的實驗告訴我們，藍光的暗環比紅光的暗環較靠中心。所以波長較短的是藍光，波長較長的是紅光。光的不同顏色來源於其不同的波長，這不是課本種強加給我們的教條，而是對不同顏色光做干涉實驗得出來的結果。以後當我們在課本中看到類似的論述時，我們應該多想想這些論述是怎麼得出來的。他是作者的憑空臆想還是有實驗支持?

從顏色到干涉，光的波動理論，對很多光現象，都給出了圓滿的解釋。但光波動理論，有一個重大缺陷：如果光是波，那末，光波到底是由什麼東西的振動產生的呢?

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圖9 不同顏色的光具有不同的波長。

光的傳播媒介和偏振

由於光能穿過真空，這使我們很難理解為什麼光是波。如果你問老師：什麼是真空?他會回答：真空就是沒有任何東西。假如真空真是什麼都沒有，那麼真空中的光怎麼可能是波呢?反之，將光看為粒子會較容易理解。因為粒子是一些我們放在真空里的東西。因此，當粒子穿過真空，確實有一些東西出現，這就是光了。

可是，實驗卻告訴我們，光並不是粒子，而是波。假如你真的相信實驗，真的相信光是波，這就意謂著真空不是什麼都沒有。因為波必須要由媒介來承載，波是媒介的振動。所以將真空想像為海洋會比較恰當，而我們就好像海洋里的魚。由於我們生活在海洋裡面，我們就自然不會感到水的存在。若果用這個海洋圖像，就會容易明白光的波性。海洋里的水的振動會產生波，這就是光波了(見圖10)。至於海洋里的氣泡、魚和其他的東西那就是物質。這種可以承載光波的媒介，我們稱之為以太(ether)。引入以太這種媒介之後，我們得到一個理解光波很好的圖像，一個完美的理論。

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圖10 海洋里的光波圖像。

但是，光的故事並不如此簡單。光波是一種有特殊內部結構的波。它其實並不能被看成是液體中的波。我們是如何發現光波的內部結構呢?有種特別的晶體，它們會有一種現象稱為「雙折射" 。當你將晶體放在報紙上，你可以看見上面的字有雙像的效果(見圖11)。人們對於這種現象一度感到非常疑惑，百思不得其解。其實，在人們肯定光是波之前，牛頓曾試圖用粒子理論來理解雙折射現象。他假設有兩種光粒子，所以它們有不同的折射。

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圖11 光的雙折射或雙像現象

我們也可以利用兩種波來解釋雙折射現象。光不只是波，它還是很特別的波。由於波是一種振動，那麼波的不同振動方向就代表不同的波。如圖12所示，向右傳播光有兩種振動：上下振動和前後振動，人們對這「兩種不同的振動」或「兩種不同方向的振動」，以一個科學名詞 -- 偏振來指稱。雙折射晶體對這兩種偏振有不同的影響，導致其不同的速度。由於這兩種偏振有不同的速度，它們的折射彎曲的程度亦不同。因此，雙折射或雙像揭示了光的另一種秘密：光不只是波，而是帶有偏振的波。我們說有兩種光，即有兩種偏振方向的光。

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圖12 光波中的兩種振動方向：垂直振動和水平振動。

此外，偏振也可以透過偏振分光鏡來檢測。天然的光包含兩種方向的偏振。偏振分光鏡只准許某一偏振的光穿過而阻擋其他方向的偏振的光。如圖13所示，當帶有隨機偏振的天然光通過偏振分光鏡，所通過的光線，只會在某一方向振動。如果你加第二塊偏振分光鏡並將其旋轉90度，所有的光就會完全被阻擋。由於振動方向垂直於傳播方向，因此，這種偏振就稱為橫向偏振。這種波就稱為橫波。LCD屏幕所發出的光也是偏振的。你透過偏振片來看LCD屏幕就能發現這一點。其實LCD正是利用光的偏振性質來調控明暗顯示圖像。

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圖13 利用偏振分光鏡檢測光的偏振性質的實驗示意圖。

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圖14 在液體里，粒子是隨機分布的。

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液體壓縮形變產生縱波液體剪切形變無法產生橫波

圖15 液體只能承載縱波，不能承載橫波

這種對光波有兩種橫向偏振的認識導致出如下一個結論。先前我們假設真空是可以承載光波的以太，而且想像以太就像海水一樣。但現在我們發現以太不可能是液體。這是因為在液體里，粒子是隨機分布的(見圖15)。在液體里的波，是由壓縮和解壓縮引起。當你擠壓它，它會具有較高密度;但當你解壓它，它會有較低密度，這就產生了波。當你擠壓或解壓時，液體中粒子的振動的方向是與傳播方向一樣。這種偏振叫縱向偏振，其對應的波叫縱波。要產生橫波，我們須對媒介進行剪切變形。但這很難在液體里實行。因為液體中的粒子是隨機分布，當你剪切變形隨機分布的粒子，粒子仍然是隨機分布，沒有任何改變。所以，在液體里進行剪切變形，將不會引發任何變化。所以，液體只有縱波，沒有橫波(見圖15)。

這也是為什麼液體沒有形狀的原因。因此，以太不可能是液體。把以太比喻為液體的海洋是不準確的。

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固體剪切形變產生橫波固體壓縮形變產生縱波

圖16 固體能承載縱波和橫波

既然排除了以太是液體的說法，那麼認為以太是固體 (solid) 會不會行得通呢?在固體里，粒子排列成有規律的列陣。當你剪切變形粒子列陣，你便會得到不同的形態。這就導致了在固體中，有一種波擁有與傳播方向垂直的振動，就是前面提及的橫波。這也是為什麼固體有形狀的原因。所以，以太有可能是固體。但是從另一角度看，固體是可以擠壓或解壓的。固體不但有橫波，還有縱波(見圖16)。可是，光波只有兩種橫模，並沒有縱模。因此，以太是固體的說法也不能成立。

只有兩種橫模，而沒有縱模，光波不是普通的波。它是非常特別的波。由於這些特別的性質，只有縱波的液體和同時擁有縱波和橫波的固體，都不能成為可以承載光波的媒介。這使我們陷入迷惘：我們知道光是波，但究竟什麼媒介里的波才是光波呢?它不是液體里的波，也不是固體里的波。我們被困住了!其實幾十年中，人們還嘗試推測了很多其他的東西，但沒有一樣物質可以支撐這種帶有兩種橫向偏振的光波。所以，我們完全被困住了，彷佛完全無能為力了!很多人都放棄了以太的構思，恐怕是因為不知道什麼媒介能承載光波，故而認為這種媒介是不存在。但亦有人鍥而不捨，堅持發問，最後終於發現可以承載只有兩種橫模的光波的媒介。在科學界里，這是屢見不鮮的事，然而轉折點往往來自一些意想不到的地方。山重水複疑無路，柳暗花明又一村。光的故事亦不例外。

光是一種電磁波

要發現可以承載只有兩種橫摸的光波的媒介，我們要對光的內部結構有更深入的了解。這段新的故事，始於一個意想不到的地方。在知道光是波之前很多年，人們已發現了一些具有磁性特質的物質，它們能指向北方，這就是指南針(見圖17左圖)。人們可以定量地研究這些磁性物質，人們發現，一個磁石會作用另一磁石上。所以，磁性物質會互相作用。在圖17右圖中，可通過微小磁性物質是如何分布在磁石周圍，來清楚看到這種作用。假如你將一些鐵粉濺散在磁石的周圍，你便會得到這些線。然而，如何理解磁性物質間的相互作用呢?雖然磁石之間沒有任何東西，但它們仍然互相作用，像有一種神秘的超距力量，這使科學家們感到十分好奇。有些人如法拉第，他不相信會有超距作用，他認為對象必須觸碰才能互相作用。但明顯地，那兩塊磁石並沒有觸碰。所以，法拉第便認為磁石的周圍，可能有一些力的場，這些力場觸碰另一塊磁石。雖然我們看不見力場，但它是存在的。透過接觸磁石的力場，磁石之間便會互相作用(見圖18)。

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圖17 左圖為司南—指南針;右圖為磁鐵及其周圍的鐵粉。

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圖18 兩個磁石之間的相互作用。

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圖19 法拉第提出用「力場」的概念來解釋超距現象。

其實，力場的構思並不是什麼新想法。很多人相信，一些有魔力的人就會擁有這種「場」或「光環」(見圖19)。在科學界里，磁石亦是一種有魔力和力場的物質，這種力場被稱為磁場。根據上文的描述，兩塊磁石之所以能互相作用，是由於磁石周圍的磁場接觸另一塊磁石。

另一種現象，亦是在很久之前便為人類所發現，就是電。例如：夏季暴風雨所帶來的閃光，這些光是由電造成。當人們認識到用布摩擦琥珀可以產生電時，我們可以對電做更加定量化的實驗和認識。這讓人類進入一個嶄新世界。在拉丁文里，「electricus」意思就是「透過摩擦琥珀來產生」。

當一支琥珀棒經過摩擦後，它便會帶電荷。和磁石類似，一支帶電的琥珀棒可以和另一支帶電的琥珀棒互相作用。電荷也可以不用透過接觸來互相作用。這種電荷的超距互相作用，表明電荷也會產生力場，這種電荷產生的力場被稱為電場。一個電荷產生的電場會與另一個電荷接觸而互相作用。

最初，電和磁被視為兩種分開獨立的現象。後來，當人們將它們仔細研究後發現，這兩種現象是彼此互動相關。人們發現，當有電流通過電線時，流動的電荷可以在電線周圍產生磁場。既然流動的電荷可以產生磁場，那麼移動的磁石呢?答案是：移動的磁石可以產生電流。我們可以用一條電線、一塊磁石和安倍計作實驗。安倍計是用來量度有多少電流通過電線。如圖20所示，假如你將磁石移動並通過電線，電流便會產生。移動的電荷產生磁場，而移動的磁石會導致電流。

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圖20 電和磁彼此互動相生的實驗示意圖。

物理學家麥克斯韋 (Maxwell，見圖21) 為上述的實驗現象作出了總結。事實上，我們必須在最基本的層面上，理解這種現象的核心。我們知道移動的電荷會改變電場，而移動電荷所產生的磁場實際上是由變化的電場產生的。類似的，移動的磁石會改變磁場，變化的磁場會產生電場。移動磁石導致的電流，是由變化的磁場而導致的電場所產生。要明白變化的磁場會產生電場，我們要考慮當磁石移向金屬環時的情況。我們在圖20的右圖中可以看到，環中心位置的磁場增加，環中心增加的磁場，會產生環繞著環的電場。這環繞著的電場，迫使電線里的電子流動，產生了電流。這就解釋了為何移動的磁石可以產生電流。

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圖21 物理學家 ── 麥克斯韋的畫像。

電生磁，磁生電，彼此成雙成對。這實在是非常有趣的事情。電場引致磁場和磁場引致電場這種現象會引伸出非常重要的結果，即預言了波的存在。如何理解這種被稱為「電場和磁場的波」呢?就讓我們想像這裡有一個正電荷和一個負電荷。我們知道當一個正電荷在另一個負電荷之上時，它們相互抵消而不產生電場。當我們將兩種電荷分開時，電場E會圍繞著電荷(見圖22)，故電場增加。根據麥克斯韋定律，變化的電場E會導致環繞電場的磁場 B。由於這磁場正在改變或增加，其繼而導致環繞磁場的電場，如此類推 (見圖23)。因此，電生磁，磁生電，我們看到傳播的電場和磁場，這就是電磁波了。其實，實驗物理學家早已經對電場引致磁場或磁場引致電場作出了很多定量的實驗。麥克斯韋建立了方程式來描寫這些實驗結果。麥克斯韋用他的方程可以計算出電磁波的速度。他發現，電磁波和光波擁有同樣的速度。他因而下了一個結論：光波就是電磁波。這個結論一度使人困擾，因為當時的量度有頗大的誤差，兩者速度並不完全一樣。雖然是這樣，麥克斯韋仍然相信兩個速度是一樣。後來更精確的測量表明，電磁波和光波擁有同樣的速度。麥克斯韋是正確的，光波確實是電磁波。

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圖22 兩個正和負電荷周圍的電場分布。

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圖23 變化電場產生變化的磁場，形成電磁波的示意圖。

我們沒想到能透過學習電和磁會對光波內部結構有了更深入的理解。這種理解在科學發展上十分重要，代表了電、磁和光現象的統一。物理學家們對這一大統一的結果十分滿意。雖然電、磁和光好像是三種如此不同的現象，但它們只是同一事物的不同側面，讓我們眼界大開。光的電磁理論可以解釋光的偏振。如圖23所示，光在水平方向傳播，但電場的方向卻是垂直。故此，電場代表的振動方向是垂直於傳播方向。所以，電磁波是橫波，其兩種偏振都是橫向的。

光的電磁理論使我們對光有了十分深入、全面和詳細的理解。但我們的問題依然沒有完全解決，我們仍然不知道什麼東西的振動能夠產生光波。在這裡要更具體地指出：電場和磁場描繪的只是光波的振輻。強的電場對應強的光和強的振動。但我們並不知道什麼東西的振動對應於電場?對於一些曾修讀過電磁學的人，也許有過跟我一樣的經歷。當我第一次看見麥克斯韋方程組，我會自然地問什麼東西的振動對應於電場，腦子裡充滿了問號。經過老師反覆教導，課本反覆論述，我開始接受，電場就是電場，磁場就是磁場。慢慢地，我不再發問，忘記了一開始的問題。然而，發問的精神是非常重要，儘管很多人認為這是一個愚蠢的問題，但愚蠢的問題往往是開啟睿智心靈的鑰匙。

光是弦網液體中的波

什麼東西的振動對應於電場和磁場?什麼東西的振動對應於光波?總結一下我們面臨的困境和問題：液體行不通，因為它只有縱波;固體也行不通，因為它同時有縱波和橫波。我們不知道什麼媒介中只有兩種橫波、什麼媒體的振動對應於電場和磁場?

這裡我想強調一個關鍵的要點：為何液體和固體里有不同波。這是由於液體里的粒子和固體里的粒子有不同的組織。不同的組織造成不同種類的波，這就被稱為演生原理。在凝聚態物理里，演生是一個非常重要的概念。演生原理強調，粒子的組織是重點。要了解不同物質的性質，我們首先需要了解物質里的粒子是如何組織的。液體和固體是很好的例子，可以用來說明這一演生原理。

在液體里，粒子是隨機分布，所以它們是隨機組織的。當粒子隨機組織時，只有擠壓能改變組織的構型，剪切變形不能對粒子分布起任何作用。因此，隨機組織只有縱波，而沒有橫波。這也解釋了為甚麽液體沒有形狀。在固體里，粒子排列成有規律的列陣，是一個不同的組織。不同的組織會導致不同的波。擠壓變形和剪切變形都能改變組織的構型(即粒子的排列)。所以，固體里又有縱波，又有橫波。這也解釋了為甚麽固體有形狀。所以演生原理解釋了，為什麼液體沒形狀而固體有形狀，這一大家都知道的常識。

從這個演生原理的角度來看，我們可以更準確地提出問題，切中要點。我們應該問：什麼樣的粒子組織可以產生擁有兩個橫模的波呢?假如粒子隨機分布，便會成為液體，這是行不通的;假如粒子排列成有規律的列陣，便會成為晶體，也是行不通的。什麼樣的組織才行得通?事實上，這條問題困擾了我們一百多年。直至近年，我們才找到了答案。我們發現了一種粒子的組織，它可以產生只擁有兩個橫模的波。

在這個媒介里，粒子首先排列成弦，就像塑料里的原子一樣。這些弦充滿了整個空間而形成弦網(見圖24左圖)。但這並不是全部!弦網隨機地、波動地漲落著，與液體相似，有一個隨機分布。實際上，我們也可以說粒子的位置在液體中是隨機地、波動地漲落著。因此，波動和隨機漲落的弦網被稱為弦網液體 (string liquid)。我們想了解，弦網液體里的波會是怎樣的呢?

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弦網液體弦密度波

圖24 弦網液體及其所形成的弦密度波。

在粒子隨機分布的液體里，波動只能是粒子密度波，其對應於一個縱波。同樣地，在弦網隨機分布的弦網液體里，波動也是密度波 -- 弦密度波。在弦網液體里，有些地方會有較多的弦，但有些地方會有較少的弦，這就是弦密度波(見圖24右圖)。不同於粒子，弦是有方向性的。所以弦密度是由一個矢量來描寫的。弦的方向就是矢量的方向。我們注意到，由於弦是連續的，弦密度的變化方向總是垂直於弦的方向。因為弦密度波的運動方向就是弦密度的變化方向，所以弦的方向(即弦密度矢量的方向)總是垂直於弦密度波的運動方向。這表示弦密度波是一個橫波。而且，只有橫波，沒有縱波。

我們終於找到了以太。根據定義，以太是一種可以承載著有兩種橫向偏振波的媒介。弦網液體就是這樣的媒介，它就是以太。而弦網液體中的弦密度波就是光波(電磁波)。其實，弦密度矢量對應於電場：越多弦的地方，代表電場越強，弦的方向就是電場的方向。弦網液體解釋了光、電、磁的起源。

你也許會問：光的起源一定是弦網液體嗎?數學上我們可以推導出弦網液體里的波就是電磁波。但是，其它媒介也有可能產生電磁波，弦網也許不是唯一的答案。我們的真空也許不是弦網液體。但是，進一步的研究表明，弦網液體不僅能解釋光的起源，還能解釋電子和其他基本粒子的起源。這說明我們的真空也許真是弦網液體。

什麼是電子?電子就是電荷。在弦網的圖象中，電荷就是弦的末端。在圖25中，有兩個電荷。你可以數數看這兩點是25條弦的末端，這兩個粒子各帶25個單位的電荷。由於電荷是弦的末端，電荷的量子化也因此能被解釋。

在正電荷和負電荷之間，有很多弦網連接這兩個電荷。在有很多弦網的區域里，有強的電場。另一個區間里只有較少的弦網，所以只有弱的電場。假如你學過電磁學或電學便會知道，這不過是兩個電荷的電場!所以，這幅弦網的圖畫(圖25)，確實反映了兩個電荷周圍的電場。

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圖25 電荷就是弦的末端。

前文提及，根據麥克斯韋的觀點，正電荷和負電荷分開合并震動時，可以產生電磁波。我們可以透過弦網圖像來理解這一現象。假設有兩個電荷，我們可以分開或合并它們。當你把它們分開時，就會產生很多弦網。當你把它們合并起來，弦網沒有足夠的時間返回變為零。有些弦網綴落後，它們便會形成封閉的圈，朝著遠離的方向傳播。這就是電磁輻射的弦網圖像(見圖26)。這幅圖像反映了另一種的統一，即光與電子的統一。標準的教科書不會將光和電子放在一起討論。但弦網液體的圖像就不同了，光與電子其實是一樣東西的兩方面。中心對象是弦，光是弦的運動，而電子便是弦的末端。光與電子的弦網圖像，不僅可以解釋光的橫向偏振性以及電子的電荷，它甚至可以解釋電子的費米統計性質。弦網液體不僅統一了光與電子，也統一了電磁相互作用與費米統計!

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圖26 電磁輻射的弦網圖畫。

我們討論了液體、晶體和弦網液體這三種粒子的組織。我們也可以將這三種形態看作為三個不同的宇宙。試想像可能在某個其它的宇宙里，真空就是像海洋的液體。在這個宇宙里，「光」被看作為液體里密度的波。如果在那兒做實驗，我們將不會看到雙折射，因為「光」在這裡只有一個縱模。但假如在另一個宇宙里，真空是晶體。在這個宇宙里，「光」會有三種偏振(一個縱模兩個橫模)，所以應該會發生三折射現象。回到我們的宇宙里，光只有兩種偏振，所以我們只有雙折射。我們觀測到的雙折射說明，我們的真空不是液體，也不是晶體，而是「一碗湯麵」--弦網液體。我們是活在一碗湯麵里。

結束語

在凝聚態物理學中，我們對液體和晶體這兩種由粒子形成的組織結構已經十分熟悉。有很多材料可實現這這兩種組織結構。如液態組織可通過液氦來實現，晶態組織可通過晶體硅來實現。但在現時的凝聚態物理學研究中，我們遇到一個重大的挑戰是尋找一種可以實現弦網液體的材料。但可惜，我們至今還未發現這種物質。如果你能找到這種材料，將會是很有趣的事情，因為這種材料將與我們的真空極相似。當你手裡拿著這種材料，你就「掌握」了一個模型小宇宙。

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弦網液體給予了我們一個不同的視角來重新看世界。在弦網圖景中，真空就是弦網液體, 弦的密度波就是光波、弦的末端就是電子和夸克。電子和夸克可以形成原子，而原子可組合成各式各樣的東西，如玻璃、細胞和地球，或者是一些會思考光和電子的起源問題的智慧生物。上帝說：讓光出現，我們有了光明。物理學家說：讓弦網液體出現，我們有了光和物質。可以說，演生原理及其對光和電子的統一，開拓了科學的疆界和人類探索的視野，讓我們可以不斷地站在新的科學前沿，嘗試揭開宇宙的奧秘。

附錄

物理學家談吃

中國人以食為天，見面就談吃。連中國物理學家也不例外。(以下從微薄對話整理.)

兔斯基：二傻師傅說過：【宇宙本來就是一鍋粥】！怎麼，你要把這鍋粥變成一鍋麵條？

有啊：粥里的波滿足歐拉方程。麵條湯里的波滿足麥克斯維方程。

我們真空里的波（光波）滿足麥克斯維方程。所以宇宙是一鍋麵條湯，不是一鍋粥。[1]

兔斯基：到底是粥是麵條還是麵條湯嘛？！

有啊：不好意思。應是「麵條」，不是「湯」。是「麵條里的波滿足麥克斯維方程」。注意：是乾麵，不是湯麵。

兔斯基：記得《物理》上用的是「湯麵」。

有啊：真仔細。說「湯麵」時，很多人注意「湯」不注意「面」。「乾麵」更準確。

綠豆蛙：赤果果的熱乾麵論如何通過熱乾麵認識宇宙。

兔斯基：那膜世界就應是一鍋涼皮？！

有啊：我還真考慮過「涼皮+麵條」，希望同時得到滿足麥克斯韋方程的光波與滿足愛因斯坦方程的引力波。沒成功。看來宇宙不是涼皮麵條。但宇宙里一定有麵條。

綠豆蛙：這麵條，涼皮，怎麼看怎麼像民科。

有啊：麵條涼皮不是民科，是量子系統。麵條涼皮的希爾博特空間和哈密頓量都已給出。用哈密頓量，我們可以計算麵條涼皮里的波。我們發現麵條里的波滿足麥克斯維方程，而涼皮里的波不滿足愛因斯坦方程。

兔斯基：2013年，高能物理實驗發現了希格斯粒子, 證實了我們生活在超流體中，大鍋里有粥是肯定了。至於鍋里是否有麵條涼皮，要設計判定性實驗並說服實驗家。

有啊：同樣的邏輯，我們老祖先，在25萬年前的生活中，發現了光，證實了我們生活在麵條中，大鍋里有面是肯定了。還有，1897年，約瑟夫·湯姆遜發現電子，也就是麵條的端點。進一步證實了我們生活在麵條中，大鍋里有面是非常肯定了。另外，希格斯粒子有質量，而超流體里的波無質量。發現希格斯粒子, 不能證實我們生活在超流體中。大鍋里有粥沒粥還說不定。

baby貓：我們南方人認為，宇宙原本是一鍋大米粥。不知道什麼緣故，裡面的顆粒連成了長長的線狀，就變成過橋米線了。

有啊：很有意思的想法。可以通過宇宙觀測，檢驗此想法的正確性。我得算算大米粥變成過橋米線的量子相變，及其可觀測的預言。

注釋

一鍋粥 = superfliud (particle condense)

一鍋麵條 = string-net liquid (string-net condense)

(本文是根據2006年1月作者在香港科技大學所做的公眾演講整理形成。早期一個版本在《物理》雜誌上發表過。)

參考文獻

Quantum order from string-net condensations and origin of light and massless fermions;Xiao-Gang Wen Phys. Rev. D68, 024501 (2003).

Photons and electrons as emergent phenomena;Michael Levin and Xiao-Gang Wen Rev. Mod. Phys. 77, 871–879 (2005).