光为什么会发光？不动的光子一次讲透（完整文稿）
本文是视频《光为什么会发光？不动的光子一次讲透》（作者：Infinite Physics）的完整文稿（全文整理版），与精读笔记配套阅读；▶ 中配视频。
光的谜题
此刻，光正照进你的眼睛。有的几十亿分之一秒前离开屏幕。有的八分钟前离开太阳。今晚抬头看星空，有些光离开时金字塔还没建。它们都穿过空旷太空来到你眼前。但奇怪的是，声音需要空气，海浪需要水，吉他发声要弦振动。光什么都不需要。它穿过绝对真空，那里没有任何东西可振动、可推动、可承载它。没有东西可移动，它怎么传播呢？更奇怪的是，按爱因斯坦的说法，光自己可能根本没在动。
波粒之争
要明白这个，得回到三百多年前，两位巨人的争论。牛顿认为光由微小粒子组成，像从光源射出的小子弹。荷兰科学家惠更斯不同意。他说光是波，像池塘里的涟漪。牛顿名气太大，一百多年里多数科学家都站他那边。一八零一年，英国医生托马斯·杨做了个简单实验。让光穿过两条窄缝，看后面的墙。如果光是粒子，该出现两条亮线。杨却看到许多明暗条纹。这叫干涉，只有波才有。两个波峰相遇就叠加变亮。波峰遇波谷就抵消变暗。光是波，惠更斯对了。但这带来一个大问题。
以太与光速
如果光是波，那是什么的波？水波是水在动，声波是空气在动。于是科学家认为太空充满一种看不见的物质，光波靠它传播，叫以太。它无处不在，完全透明，还得极硬才能传那么快的波。没人见过它，但几乎人人都信它存在。同时，人们在测光的真实速度。一六七六年，丹麦天文学家罗默发现木星卫星木卫一有点怪。地球靠近木星时，木卫一食来得早；离远时就晚。罗默意识到，光只是要多花时间走多出的路。光不是瞬时的，它有速度。一八四九年，法国物理学家斐索用旋转齿轮和几公里外的镜子来测。
他测得约每秒三十一万三千公里，很接近现代值。今天我们知道，真空光速正好是每秒二亿九千九百七十九万二千四百五十八米。这数值精确到一九八三年起，米就用它来定义。接下来是改变物理学的时刻。
电磁波即光
十九世纪，自学成才的天才法拉第没学过高深数学，就爱玩磁铁和电线。他发现磁铁一动就产生电流，电流又会产生磁效应。他想象磁铁和电荷周围布满看不见的力线。多数科学家当它是幅好看的图，苏格兰年轻物理学家麦克斯韦却认真对待，把它变成数学。一八六五年，麦克斯韦发表电磁方程组，里面藏着惊人发现。变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。想想这意味着什么。让电场一晃动，就产生磁场。磁场在变，稍远处又生出新电场。新电场又生磁场，如此循环不断。两种场互相再生，在空间里接力前进。
这波自己带着自己走。不需要水、空气或以太，它自己就是介质。麦克斯韦算出它该有多快。他用两个和光无关的数。一个说空间多容易形成电场，另一个说多容易形成磁场。这两个数早就在实验室用线圈和电容测好了。麦克斯韦一组合，结果约每秒三十万公里。正是光速。麦克斯韦写道，光必是电磁扰动。他一举统一了电、磁和光。这是史上最伟大的发现之一。爱因斯坦书房里，麦克斯韦像挂在牛顿和法拉第旁。这就是第一个答案。光传播时，没有实物像球那样移动。想想体育场的人浪。人浪绕全场跑，每个人只是在座位上站起坐下。动的是波型，不是人。光也一样。传播的是电场磁场的变化图案，没有任何实物在赶路。
追猎以太
这么说，光真能不靠移动就传播。但科学家还不肯放弃以太。一八八七年，迈克尔逊和莫雷在俄亥俄州造出一台超灵敏仪器。想法很简单。地球绕太阳每秒约三十公里。如果空间充满以太，地球就在犁开它，形成以太风。顺风的光，速度应该和横穿的光略有不同。他们把光分成两路垂直往返，再合并找差异。结果什么都没发现。转动仪器，没有。换季节再试，还是没有。光在每个方向速度完全一样。这被称为史上最著名的失败实验，却打开了现代物理之门。爱因斯坦登场。
相对论诞生
十六岁时，爱因斯坦幻想：用光速追一束光会怎样。他会看到光波冻结，电场磁场静止不变。但麦克斯韦方程不允许。冻结光波不存在，有地方错了。十年后，一九〇五年，他发表狭义相对论，基于一条大胆规则。真空光速对谁都一样，不管你动多快。就算以半光速迎着光冲过去，也不会测到一点五倍光速，速度照样一模一样。怎么可能？因为空间和时间是相对的。你动得越快，时钟走得越慢。这叫时间膨胀。运动方向上的距离还会缩短，叫长度收缩。这些都不是错觉。
飞机上的原子钟测到过它。GPS卫星每天都要校正，不然导航会偏差好几公里。
光的视角
把这个想法推到极限。越接近光速，钟走得越慢，前方的距离缩得越厉害。达到光速时，方程显示时间完全停止，前方距离缩成零。诗意地说，几十亿年前离开恒星、落进眼睛的光，发出和到达是同一瞬间。横穿宇宙全程不花时间，不占距离。从光的视角看，它从未真正移动。物理学家要提醒一句。严格说，光没有视角。相对论认为，光速参考系无法成立，因为有质量的东西永远到不了光速。光的感受是什么，物理其实答不了。但数学清楚显示了趋势。越接近光速，你的体验就越接近没有时间，没有距离。这就是标题的深意。
量子转折
又有转折。一九〇〇年，普朗克发现光能量是一份份小包。一九〇五年，爱因斯坦证明光是粒子，叫光子。所以牛顿也没全错。光既是波又是粒子，看你怎么观察。光子没有质量，所以能跑出宇宙限速，却还带着动量。所以二〇一〇年，日本伊卡洛斯号飞船只靠阳光推进飞行。后来费曼用量子电动力学描述光，它是史上检验最精确的理论之一。在费曼看来，光子不只走一条路，而是同时探索所有可能路径。这些路径叠加相消，就像杨氏条纹，最后看起来像直线。还有个惊喜。
光在玻璃中会变慢，约每秒二十万公里，在钻石里约十二万四千。光子本身并不累。是光波让材料里的电子振动。电子又产生自己的小波，合成波就走慢了。一出去，立刻恢复全速。一九九九年，物理学家莉妮·豪让光穿过超冷原子云，减到每秒约十七米，比自行车还慢。
终极答案
光怎能不靠移动传播？它是电磁场自我再生的图案，不需要介质。它的速度全宇宙公认，而按相对论，横跨几十亿光年的旅程缩成零。我们能探测的最古老光，宇宙微波背景，在大爆炸后约三十八万年出发。它穿越宇宙一百三十多亿年。可在爱因斯坦方程里，这束光没经过任何时间。你看到的宇宙起点，对光来说从未结束。