我們生活在一碗湯麵裡嗎？——光和電子的統一與起源
高能所第十四屆公眾科學日 | 5月19日
微觀世界探秘之旅 | 高能所第十四屆公眾科學日（玉泉路園區）
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1 光是粒子還是波？
光是什麼？ 這似乎是一個很簡單的問題，然而它卻開啟了人類的智慧和視野。 我們相信，對於光是什麼這個問題，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？
三位歷史上曾經對光的理解做出巨大貢獻的物理學家（見圖1）。 在較早期時代，大科學家牛頓認為光是一束顆粒。 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，而剩餘的部分會穿透。 另一些科學家，如胡克（Hooke），惠更斯（Huygens）則認為光是波，而非顆粒。 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。 很顯然，微粒說和波動說是兩種很不相同的理論，哪一個才是正確的呢？ 也就是說，哪一個理論能夠圓滿解釋光的現象？
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
折射（refraction）是光的基本現象。 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，當光線照射到介面（interface）上時，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，這就是微粒理論（corpuscular theory）對摺射的解釋（見圖3左圖）。 但按照胡克和惠更斯的波動理論（wave theory），光就是波。 當波照射在介面上時，波會在媒體內減慢速度，使波前（wave front）速度減慢，以致光線彎曲，這就是波動理論對摺射現象的解釋（見圖3右圖）。請注意，這兩種理論好像有很不同的結論。 在粒子理論中，光在媒介裡的速度比較快；但在波動理論中，光在媒介裡的速度卻比較慢。 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，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，但這些都必須透過實驗來驗證。 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，但這個理論卻反映了真實的光，即光就是波。
圖2 光從玻璃片經過時折射現象的實驗圖景
圖3 光折射現象的微粒理論和波動理論的解釋示意圖
波動理論除了能夠解釋光在媒介內會減慢速度外，還有更加奇妙的預測。 當光是波時，光就會有一種現象，稱為干涉（interference）現象。 當你將兩個波並排疊加時，即波峰（peak）對著波峰、波谷（trough）對著波谷，便會形成一個較強的波（見圖4（a））。 但如果你將兩波調校至波峰對著波谷而波谷對著波峰時，把兩波合起來便會互相抵消，什麼都沒有了（見圖4（b））。 這就是波的一個非常特別的性質。 在光的粒子理論裡，就沒有這個現象。
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，這取決於它們如何排列。 如果光的強度增加，這便稱為相長干涉（constructive interference）；相反，如果光的強度減少，這便稱為相消干涉（destructive interference）（見圖5）。
圖5 光的相長干涉和相消干涉示意圖
人們可以透過以下牛頓環（Newton‘s ring）這個實驗來觀察光的干涉現象。 在這個實驗裡，我們會把凸玻璃置於另一塊平面玻璃上，這樣它們之間就有細少的空氣層（見圖6）。 當光線照射時，光線會分別被玻璃面和鏡面反射。 如果兩條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（in-phase）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，你就會看到亮帶，如此類推。 這個實驗讓我們看到了光就是波的實驗證據。
圖6 觀察牛頓環的實驗裝置
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。
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，更讓我們理解了究竟什麼是顏色。 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。 可以說，從顏色到干涉，波動理論都能夠圓滿地解釋很多光的現象。
圖9 不同顏色的光具有不同的波長
但這一圓滿的光波動理論，有一個重大缺陷：如果光是波，那麼，光波到底是由什麼東西的振動產生的呢？
2 光的傳播媒介和偏振
由於光能穿過真空（vacuum），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裡的東西。 因此，當粒子穿過真空時，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，這就意味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。 所以將真空想象為海洋會比較恰當，而我們就好像海洋裡的魚。 由於我們生活在海洋裡面，我們就自然不會感到水的存在。 若用這個海洋影象，就會容易明白光的波性。 海洋裡的水的振動會產生波，這就是光波了（見圖10）。 至於海洋裡的氣泡、魚和其他的東西那就是物質。 這種可以承載光波的媒介（medium），我們稱之為以太（ether）。 引入以太這種媒介之後，我們得到一個能幫助理解光波的很好的影象。 但是，光的故事並不如此簡單。 光波是一種有特殊結構的波。 它其實並不能被看成是液體中的波。
圖10 海洋裡的光波影象
我們是如何發現光波的內部結構呢？ 有些特別的晶體，它們會有一種現象稱為“雙折射”（double refraction）。 當你將晶體放在報紙上，你可以看見上面的字有雙像（double image）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。
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（vibration），那麼波的不同振動方向就代表不同的波。 如圖12所示，光有兩種振動：垂直振動和水平振動，人們對這“兩種不同的振動”或“兩種不同方向的振動”，用一個科學名詞———偏振（polarization）來稱謂。 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，它們彎曲的程度亦不同，故有不同的折射。 因此，雙折射現象或雙像現象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。
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（polarizer）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透過偏振分光鏡時，所透過的光線，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°，所有的光就會完全被阻擋。 由於振動方向垂直於傳播（propagation）方向，因此，這種偏振就稱為橫向（transverse）偏振。 這種波就稱為橫波（transverse wave）。
圖13 利用偏振分光鏡檢測光的偏振性質的實驗示意圖
圖14 在液體裡，粒子是隨機分佈的
這種對光波有兩種橫向偏振（transverse polarization）的認識導致如下一個結論。 先前我們假設真空是可以承載光波的以太，但這以太不可能是液體（liquid）。 這是因為在液體裡，粒子是隨機分佈（random distribution）的（見圖14）。 在液體裡的波，是由壓縮（compression）和解壓縮（decompression）引起的。 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（longitudinal polarization），其對應的波叫縱波。 要產生橫波，我們須對媒介進行剪下變形（shear deformation）。 但這很難在液體裡進行。 因為液體中的粒子是隨機分佈的，當你剪下變形隨機分佈的粒子時，粒子仍然是隨機分佈的，沒有任何改變。 也就是說，在液體裡進行剪下變形，將不會引發任何變化。 所以，液體只有縱波，沒有橫波（見圖15）。 因此，以太不可能是液體。 把以太比喻為液體的海洋是不太準確的。
圖15 液體只能承載縱波，不能承載橫波
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？ 在固體裡，粒子排列成有規律的列陣。 當你剪下變形粒子列陣時，你便會得到不同的形狀。 在固體裡，確實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。 所以，以太有可能是固體。 但是從另一角度看，固體是可以被擠壓或解壓的。 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。
圖16 固體能承載縱波和橫波
只有兩種橫模，而沒有縱模，說明光波不是普通的波。 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，但究竟什麼媒介裡的波才是光波呢？它不是液體裡的波，也不是固體裡的波。 我們被困住了！ 其實，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，彷彿完全無能為力了！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，因而認為這種媒介是不存在的。 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，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。
3 光是一種電磁波
要發現可以承載只有兩種橫模的光波的媒介，我們要對光的內部結構有更深入的瞭解。 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，一個磁石會作用於另一磁石上。 所以，磁性物質會互相作用（interaction）。 在圖17右圖中，可清楚看到這種作用，微小磁性物質是如何分佈在磁石周圍的。 假如你將一些鐵粉濺撒在磁石的周圍，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，他認為物件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（force field），但它們是存在的。 透過接觸磁石的力場，磁石之間便會互相作用（見圖18）。
圖17 左圖為司南———指南針；右圖為磁鐵及其周圍的鐵粉
圖18 兩個磁石之間的相互作用
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，磁石亦是一種有魔力和力場的物質，這種力場被稱為磁場（magnetic field）。 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，故能夠互相作用。
圖19 法拉第提出用“力場”的概念來解釋超距現象
另一種現象，亦是在很久之前便為人類所發現，就是電（electricity）。 例如，夏季暴風雨所帶來的閃光，這些光是由電造成的。 當人們認識到用布摩擦琥珀（amber）可以產生電荷（charge）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。 在拉丁文裡，“electricus”意思是“透過摩擦琥珀來產生”（它是William Gilbert於1600年以拉丁文形式造的新詞，不是原拉丁文裡有的詞）。 所以，“電”這個名詞確實是來自摩擦琥珀。 當一支琥珀棒經過摩擦後，它便會帶上電荷。 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（electric field）。 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（electricity）和磁（magnetism）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的。 人們發現，當有電流透過電線時，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、一塊磁石和安培計（ammeter）做實驗。 安培計是用來量度有多少電流透過電線。 如圖20所示，假如你將磁石移動並透過電線，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。
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。 類似地，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的。 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裡的電子流動，產生了電流。 這就解釋了為何移動的磁石可以產生電流。
圖21 物理學家麥克斯韋的畫像
電生磁，磁生電。 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申出非常重要的結果，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？ 就讓我們想象這裡有一個正電荷和一個負電荷。 我們知道當一個正電荷與另一個負電荷重合時，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（electromagnetic wave）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。
圖22 一對正、負電荷周圍的電場分佈
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（unification）。 試回想我們最初的起步點，物理學家們對現在的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方面，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，但電場和磁場代表著的振動方向卻是垂直於傳播方向的。 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已有了十分深入、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（amplitude）。 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，也許有過下述跟我一樣的經歷。 當我第一次看見麥克斯韋方程組（Maxwell equations）時，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，我忘記了一開始的問題：到底什麼東西的振動對應於電場。 然而，發問的精神是非常重要的，儘管很多人認為這是一個無知的問題，但無知的問題往往是開啟睿智心靈的鑰匙。
4 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：為何液體和固體裡的波有所不同。 這是由於液體裡的粒子和固體裡的粒子有不同的組織（organization）。 不同粒子的組織造成不同種類的波，這就被稱為演生原理（principle of emergence）。 在凝聚態物理（condensed matter physics）中，演生是一個重要概念。 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裡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。
在液體裡，粒子是隨機分佈的，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，剪下變形不能對粒子分佈起任何作用。 因此，隨機組織只有縱波，而沒有橫波。 這也解釋了為什麼液體沒有形狀。 在固體裡，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。 擠壓變形和剪下變形都能改變組織的構型（即粒子的排列）。 所以，固體裡既有縱波，又有橫波。 這也解釋了為什麼固體有形狀。
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？ 假如粒子隨機分佈，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，這個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。
在這個媒介裡，粒子首先排列成弦（string），就好像聚合物（polymer）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。 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–net liquid）。 我們想了解，弦網液體裡的波會是怎樣的呢？
圖24 弦網液體及其所形成的弦密度波
在粒子隨機分佈的液體裡，波動只能是粒子密度波，其對應於一個縱波。 同樣地，在弦網隨機分佈的弦網液體裡，波動也是密度波———弦密度波。 在弦網液體裡，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向量（vector）來描寫的。 弦的方向就是向量的方向。 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（即弦密度向量的方向）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，弦密度向量對應於電場：弦越多的地方，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？ 我相當肯定，弦網液體裡的波就是電磁波。 但是，其他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。 在弦網的影象中，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27條弦的末端，這兩個粒子各帶27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，有很多弦網連線這兩個電荷。 在有很多弦網的區域裡，有強的電場。 另一個區間裡只有較少的弦網，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。
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併振動時，可以產生電磁波。 我們可以透過弦網影象來理解這一現象。 假設有兩個電荷，我們可以分開或合併它們。 當你把它們分開時，就會產生很多弦網。 當你把它們合併起來時，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（electromagnetic radiation）的弦網影象（見圖26）。 這幅影象反映了另一種統一，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。 但弦網液體的影象就不同了，光與電子其實是一樣東西的兩方面。 中心物件是弦，光是弦的運動，而電子便是弦的末端。 光與電子的弦網影象，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［2］。 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！
圖26 電磁輻射的弦網圖畫
我們討論了液體、晶體和絃網液體這三種粒子的組織。 我們也可以將這三種形態看作三個不同的宇宙。 試想可能在某個其他的宇宙裡，真空就是像海洋的液體。 在這個宇宙裡，“光”被看作是液體裡密度的波。 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裡，真空是晶體。 在這個宇宙裡，“光”會有三種偏振（一個縱模和兩個橫模），所以應該會發生三折射（triple refraction）現象。 回到我們的宇宙裡，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現象說明，我們的真空不是液體，也不是晶體，而是“一碗麵條湯”———弦網液體。
5 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。 有很多材料都可以實現這兩種組織結構。 如液態組織可透過液氦（Helium）來實現，晶態組織可透過晶體矽（Silicon）來實現。 但在現實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。
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。
本文選自《物理》2012年第6期
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