自人类存在以来，就有光的存在。虽然光很常见，但是关于光是什么，人类却一直思考了几千年。现代科学认为，光是物质的原子核外电子释放出来的电磁辐射，是已知最小的物质，它也是最特殊的物质。探索光的本质，也就是探索物质的本质。历史上，整个物理学界很早就分为两派，围绕着光究竟是粒子还是波展开了漫长的争论。
粒子派认为，光就像是一个个的小球，它们遵循实物粒子的运动规律。也就是说，当你打开手电筒的一瞬间，即有无数个光的颗粒像炮弹一个沿着直线向外飞奔而出，只不过这种颗粒很小很小。“光电效应”显示，光是一份一份的存在，且不具有连续性，这用于证明光的粒子性。
波动派认为光是一种波，光就像是在平静的水面上投下一颗石子，**起一串涟漪，滚滚向前。当我们同时在水面上投下两颗石子，就会激起两波涟漪。当两波涟漪相遇时，他们之间就会产生干涉条纹。光的干涉证明了波动性，而更加离奇的是，单个光子也可以自我干涉。
经过长时间的争论和研究，最终人们认为，光具有波粒二象性。可问题是波和粒子是完全两回事，在现实中我们看到的是，事物是波就是波，是实物粒子就是实物粒子，没有可以兼具粒子和波两重属性的事物。
光具有波粒二象性本就难以理解，然而随着人们对双缝实验的拓展，实验所显示出来的结果，更是成了20世纪科学家集体遭遇的“灵异事件”。在这些简单的实验中，微观世界的基本特质：叠加态、不确定性、观察者效应等被展现得淋漓尽致，甚至还显示出“因果倒置”的迹象。
光本质的争论
最早用科学语言阐释光本质的人，是17世纪初叶法国哲学家、数学家、物理学家勒内·笛卡儿，他在《方法论》三个附录之一的《折光学》中提出了两种假说：一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒介的压力。笛卡儿的这两种假说为后来微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。
17世纪中期，物理光学有了很大发展。1655年意大利波仑亚大学的数学教授格里马第，在观测放在光束中小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此，他推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第是第一个提出了“光的衍射”这一概念的人，是光的波动学说最早的倡导者。
光的衍射示意图
1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。
不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡沫的颜色的观察，提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克认为光的颜色是由其频率决定的。
光的色散
1672年，牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所做的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。
1672年2月，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会，对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》进行评议，委员会基本上持否定态度。
牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。
同在这一时期，还有一个人对牛顿的粒子说提出了反对意见，这个人就是惠更斯。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统地对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院担任院士期间曾去英国旅行，并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，所以他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学实验。他仔细地研究了牛顿的光学实验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。
惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好地解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。
惠更斯还举出了一个生活中的例子来反驳微粒说：如果光是由粒子组成的，那么光的传播过程中，各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向发生改变，但事实并非如此。由于牛顿在学术界的极大影响，微粒说在学界仍然有着巨大市场。
光的折射与反射
光的波动性
18世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以横波的形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。1801年，杨氏进行了著名的“杨氏双缝干涉实验”，这个实验可以完美探测波和粒子的不同特性。
双缝干涉实验其实特别简单，就是在光源和探测屏幕之间放一个开了两个狭缝的挡板。用光源向挡板发射光，观察屏幕上的光影。这个实验结果无外乎两种可能：
光如果是粒子，就是我们所说的实物小球，相当是生活中的石子、子弹等。当光经过中间的挡板时，大部分的光会被挡住，只有两条狭缝可以允许光通过，并且光在屏幕上留下两道杠。这就是粒子运动的典型特性。
光如果是波，它可以像水波那样在经过两条狭缝以后发生干涉，波峰和波峰叠加，波谷和波谷叠加，波峰和波谷相抵消，最后在屏幕上留下干涉条纹，看起来就像是斑马线。
实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹，证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。
杨氏双缝实验（分波振面法）
1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。
1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象成功地进行了解释。
光的粒子性
1839年，年仅十九岁的亚历山大·贝克勒尔，在协助父亲研究将光照射到电解池所产生的效应时，发现了“光生伏特效应”。光生伏特效应是指某些物质在受到光照射时产生电动势的现象，像太阳能电池发电的原理就是基于半导体的光生伏特效应，将太阳辐射直接转换为电能。虽然这不是光学效应，但揭示了物质的电性质与光之间的密切关系。
1873年，威勒毕·史密斯在进行与水下电缆相关的一项任务，测试硒圆柱高电阻性质时，发现其具有“光电导性”，即光束照射在硒圆柱上会促使其导电性增加。
1887年，德国物理学者海因里希·赫兹做实验观察到“光电效应”。
光电效应
按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的物质（如硒）上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加。如果电子动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，进而在电路中形成光电流。在单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电流的现象，就叫光电效应。
1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文，他认为对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。
只有光频率大于某一临界值时，才能导致光敏物质发射电子，这一临界值取决于被照射的金属材料，而被激发出来电子的能量取决于光的波长，两者都与光的强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性。如果按波动性理论，即便入射光较弱，照射的时间只要延长一些，金属中的电子就能积累到足够的能量，也会飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的临界频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是，光必定是由与波长有关的，严格规定的能量单位所组成，这也就是光量子。爱因斯坦就此提出了一个关系式：
Ek=hν-W0
即爱因斯坦“光电效应方程”（其中h为普朗克常量，ν为光的频率，W0为逸出功，也就是电子脱离金属吸引需要做的功）。它很好地解释了许多现象，为光的粒子说奠定了基础。光电效应定律的发现，让爱因斯坦荣获1921年诺贝尔物理学奖。
波粒二象性
1924年，法国物理学家德布罗意，依据光兼具波动性和粒子性，提出光的“波粒二象性”。并且他认为波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都具有波粒二象性。
德布罗意把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上。他指出：具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h跟粒子动量mv的比，即λ=h/（mv）。这个关系式称为“德布罗意公式”。
三年后，通过两个独立的电子衍射实验，德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学，乔治·汤姆孙将电子束穿过薄金属片，并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室，克林顿·戴维森和雷斯特·革末做实验将低速电子入射于镍晶体，取得电子的衍射图样，这一结果符合理论预测。
1929年奥托·施特恩团队完成的氢、氦粒子束衍射实验，实验精彩地演示出原子和分子的波动性。1999年，维也纳大学研究团队观察到C60富勒烯的衍射，富勒烯的分子量为720u。2012年，衍射实验被延伸至更重的物质，实现酞菁分子和比它更重的衍生物的干涉，这两种分子分别由58原子和114个原子组成。在这些实验里，干涉图样被实时记录下来。这超出了德布罗意当年“一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都具有波粒二象性”的预测范围，向着微小实体物质方向延伸了许多，突破了微观粒子的范畴。
光以及其他微观粒子具有波粒二象性，但在宏观世界里，这种现象显得极其另类，我们找不到既是粒子又是波的事物做参考，科学家们也想知道，这究竟会是什么样的存在？
2015年，瑞士洛桑联邦理工学院一个由法布里奥·卡彭领导的研究小组，进行了一次“聪明的”反向实验：用电子来给光拍照，终于捕获了有史以来第一张光既像波，同时又像粒子流的照片。这一突破性成果发表在《自然·通讯》杂志上。
从右边的图片上看，成团块状的凸起组成了波浪，波浪中又显现出团块状聚集，甚是奇妙。至此，对于光本质的探讨，有了一个阶段性结论。但人类对光，对物质本质的研究却一直都在继续进行着。
拓展实验
尚未加以特别处理的光束，是由很多光子组成的，科学家们很是好奇，如果光子经过处理后，让它们一个一个的通过狭缝，结果会出现什么状况呢？
单粒子实验
1909年，杰弗里·泰勒爵士设计了一个很精致的双缝实验。他用烟熏过的薄片阻挡住绝大多数的光子，使得入射光束的强度大大降低，确保在任何时间间隔内，平均最多只有一个光子被发射出来。经过3个月的时间，累积许多光子照射在摄影胶片后，他发现，仍旧会出现类似的干涉图样。
随着科技进步，人们发明了能够可靠地发射单独电子的物理仪器。1974年，皮尔·梅利在米兰大学的物理实验室里，成功地将电子一粒一粒地发射出来。在探测屏上，他也明确地观察到干涉现象。
单粒子实验
单个光子或者电子，单独通过双缝时可以自我干涉，这超出了人类的想象力，科学家们很想知道，微观粒子究竟怎样通过双缝进而产生自我干涉的。
探测路径信息
依照我们现在的科技水平，是无法直接观测光子从哪一条狭缝中通过的，科研人员就改用电子进行实验。虽然我们同样无法直接看见电子，但是可以通过感应装置来观察它，为了搞明白电子在这个过程中的运动轨迹，研究人员在两个狭缝上都安装了能够观察电子的感应装置，这样我们就可以知道，电子到底是通过了哪一个缝隙。
实验中诡异的事情发生了：当研究人员安装了感应装置之后，再次进行双缝实验时，他们惊奇地发现电子的干涉条纹消失了，不管发射了多少个电子，它们都只表现出粒子性，也就是在显示屏上出现了两条杠。而当研究人员移除了感应装置，电子的干涉条纹马上就又出现了，呈现为斑马线！这个实验结果让科学家很是困惑。为了尽量不干扰电子的运行轨迹，研究人员使用了摄像机来对电子进行观测，但其结果还是和以前一模一样。
对于观测与不观测，微观粒子显现出不同性质这一现象，哥本哈根派的诠释
是：测量这件事会导致微观粒子的波函数发生坍缩，也就是从混沌的叠加态转变为确定的状态。例如，我们对电子的观测就导致了电子从叠加态坍缩到了粒子态。这样也会导致电子不能神奇同时处在两个路径的叠加态中，只能选择一个单一的狭缝经过，从而导致干涉条纹消失。
延迟选择实验
1979年是爱因斯坦诞辰100周年，在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在会上，爱因斯坦的同事，也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒提出了一个奇特的构想，也就是所谓的“延迟实验”。
在惠勒的构想提出5年后，马里兰大学的卡洛尔·阿雷和其同事果真做了一个延迟实验。实验装置结构较为复杂，但原理同双缝实验一样。其原理是，通过高科技手段，确定电子处于“已经穿过了缝隙，但是还没落在挡板上”的时候，马上用摄像机来观测电子。
实验结果显示，已经穿过了缝隙，但是还没落在挡板上的时候，用摄像机来观测电子，电子呈现出粒子性；如果撤去摄像机，不去进行观测，电子呈现出波动性。与此同时，慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。
此后，科学家们又进行了更加玄幻的实验——“单电子延迟选择实验”。简单地说，就是一个一个发射电子，当它穿过双缝之后，对它进行观测。
实验表明，不论是在电子穿过双缝之前，还是在穿过双缝之后，只要我们进行观测，都会使它们表现为粒子，不发生干涉；而只要我们不去观测，它就会表现为波，并且单个粒子可以自己和自己产生干涉。
如果说在微观物质穿过狭缝之前对它进行观测，会因为观测干扰到它的状态，这还比较容易理解，但为什么在它们穿过狭缝之后进行观测，也会影响其状态的选择呢？这也让一些人产生出“结果能够决定原因”的“因果倒置”猜想里。
笔者认为，光子在空间的运动，被传播的只是一种“势”，这里的“势”是“趋势”的势，就是量子理论中的“量子场”，也就相当于笛卡尔所称的“以‘以太’为媒介的压力”，而不是发射源最初发射出来的光子“本体”。
光是电磁波中人眼可见的波段，也当遵循电磁波传播的规律。我们知道，导体内部存在自由电子，一般情况下，自由电子在导体中做杂乱无章的热运动。在电路中电荷的定向运动才能形成电流。若要形成电流，就要给电路施加电压来驱动。当给一个电路加上电压以后，自由电子在电路中开始定向漂移，其漂移速度大约为10-4米/秒。而电子在电路中的漂移速度，远不是形成电流的速度。电路中电流的速度，是电场建立的速度。电场建立的速度，在不同介质中有所不同，如铜线中约为1.1×108米/秒，真空中约为3×108米/秒的光速。我们通常说光在真空中的传播速度为3×108米/秒，也应该是传播的“势”的速度，而不是发射源发出的光子本体的运动速度。
用现实中的宏观物体来类比其物理意义，就有点像“牛顿摆”中小球的运动方式，当牛顿摆一侧的小球撞击中间小球时，通过中间一系列小球的传导，依次将动力“势”传给另一侧最末端的小球，末端小球被弹起。
牛顿摆球
我们还可以将这种传导，类比成若干个队列拥堵在车门口挤公交车的人群。每个队列中后面的人都在推挤着前方的人向车门口涌去，然而决定那一队列的人能够向前移动，却是排在车门口的那几个人。
现代科学认为，虚空中在不断产生正负能量的虚粒子，而又瞬间湮灭成为虚空。从现代量子场论的观点看，每一种粒子对应于一种量子场，粒子就是对应量子场的场量子。当空间存在某种粒子时，表明那种量子场处于激发态；反之不存在粒子时，就意味着场处于基态。
单光子能够产生自我干涉，其本质是光的“虚粒子”之间的干涉，不是光子本身的干涉。光源释放出光子，可以看作是释放了一种向前的“压力”，压力推动光路中空间虚粒子向前的“趋势”。这种趋势可以传导给前方的虚粒子，这相当于排队人群向前的推力。这一推力也可以传导给侧前方的虚粒子，这样导致光路中的双缝都有虚粒子向前的趋势。这一趋势透过双缝后相互挤压而产生干涉。直至光的虚粒子被接收，虚粒子坍缩为实体粒子，其身后的虚粒子渐次向前递补空缺。相当于公交车门口挤上去一个人，其身后边的人向前移动一个身位一样。
如果我们将双缝比作左右两个队列，要是左侧的人先挤上车，左侧后面的人就可以向前递补一个身位，而右侧的人就会原地不动；如果右侧最前面的人先挤进去，右侧的人可以向前挪动一个身位，左侧的人就会原地不动。决定哪一侧人群能够向前进的，是最后被推挤在车门的那几个人，这就会给人以“因果倒置”的错觉。
与光子类似的，其他微观粒子也会在其周围形成一种“势”。现代科学认为，虚空存在不可分割的空间单元，最小的空间尺度为“普朗克长度”，我们也可以称这种最基本的空间单元为“时空质点”。笔者认为，微观粒子有大有小，它们都需要占据一定空间。最小的微观粒子至少要占据一个时空质点，稍大一点的微观粒子应该占据若干个相邻的时空质点。微观粒子占据时空质点的总体积，对外显示出其“粒子性”。
发射源对外发射微观粒子的过程，同时会诱发临近空间产生出虚粒子，而这种虚粒子还会激发更远处空间产生激发态，如此类推，这种激发态向远方的传导，对外显示其“波动性”，我们也可以称之为“物质波”，物质波可以导致单粒子的自我干涉。
氢、氦、富勒烯等分子类物质，可以看作是介于微观粒子与宏观物体之间的微小实体粒子。只是我们还无法断定，微小的实体物质粒子，与宏观实体物质的界限在哪里。但可以肯定的是，实体物质也是由诸多的微观粒子构成的，它们也一定也会向外发射物质波。只不过随着实体物质的质量越来越大，物质波对它们运动的影响力会显得越来越弱。
“量子场”释放出来的压力，不仅对正前方的虚粒子产生压力，还会传导给侧前方的虚粒子，导致微观粒子的“衍射”现象。
量子纠缠现象
在微观世界里，还有一个不可思议的力学现象，就是“量子纠缠”。互相纠缠的量子，即使被分开相当的距离，一个粒子的行为改变，还会影响到另外粒子的状态改变，这种相互影响力的传导速度，甚至可以达到光速的10000倍。
纠缠是量子力学理论最著名的预测，它描述了两个或两个以上粒子组成系统中，粒子间相互影响的现象。即在粒子纠缠状态下，其中一颗粒子被操作，状态发生了变化，就会影响到相当距离外其它粒子的状态，而且，这种影响力的传导速度远超光速。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”。
笔者认为，纠缠态量子的制备过程，就是利用某些物质或设备的特殊性能，将量子所在的时空质点“步调”统一起来的过程。而拆分量子的过程，会使得量子分发途中的时空质点“同步化”。
通常空间质点中的量子涨落，处于此起彼伏、杂乱无章的混沌状态。这有点类似于“打地鼠”游戏中地鼠的出没，是随机和混乱的。相邻时空质点间量子的起伏涨落，具有一定时间间隔。这也就是造成光和引力波的传播不能瞬间到达，而是需要一定时间的原因。
在相互纠缠的量子分发过程中，可以把量子分发途中时空质点的涨落起伏给同化起来。就像是把它们训练成了一排训练有素的仪仗队，行为步调完全一致，形同一人。如果我们某一时刻看到仪仗队左侧队员左脚在前，自然也就知道了右侧队员的左脚也在前；如果我们某一时刻看到右侧队员左臂向后摆，那也一定是左侧队员的左臂向后摆。由于这种一体化默契的存在，观测左侧队员的行为动作，就等于观测了右侧队员的动作一样，具有超距作用。
当然，如果由于某种原因，扰乱了时空质点之间的步调统一，量子的纠缠态就会宣告结束。就像是扰乱了仪仗队的秩序，马上会导致这种默契被解除，对整个体系的操纵就会失灵。而且，纠缠量子分发的距离越远，纠缠状态越脆弱。就像是仪仗队的队列越长，统一步调的维持越困难一样。
微观粒子是宏观世界的物质基础，微观粒子在时空中运动的种种表现，预示着物质与时空有着密不可分的内在联系。