光真的是电磁波吗？

只要你对物理略有所知，你一定听说过这个结论：光是一种电磁波。

果真如此吗？

先说结论：严谨的说，主流的科学界倾向于相信，光是一种电磁波。

但是如果你了解这个看法是如何得来的，或许你会有不同的看法。

早在19世纪，经由奥斯特、安培、法拉第等科学家的研究，人类已逐步认识到了电与磁的奇妙联系，至麦克斯韦，电磁学理论已然大成——根据麦克斯韦的理论，电磁互生，不仅仅是电流产生磁场，磁通量变化产生电流，而且：变化的电场能产生磁场，变化的磁场能产生电场。这里多说一句，有些朋友可能对“场”的概念很陌生，什么是场呢？在物理中，场是指随空间分布的一种物理量，我们可以根据空间中特定的位置获得特定的值，比如，我们升起一堆火，温度在空间中的分布，就可以认为是构成了一个“温度场”，而电场意思就是说，在空间中不同的位置，有不同的电效应，而磁场的意思就是说，在空间中的不同的位置，有不同的磁效应。

既然变化的电场会产生磁场，而变化的磁场会产生电场，那么，A处的电场变化，就会在B处产生磁场，而B处的磁场变化，又会在C处产生电场……如是往复，电场和磁场就会一直向前传播。我们相信，电磁场是以波的方式向前传播的，电磁波电磁波，由此得名。

你或许早就知道，科学界要认可一个理论，不仅仅是该理论能够对已知的物理现象进行总结和解释，还能提出可证伪的预言——若未被实验证伪，那么这个理论就会被认为是一个成功的理论而被广泛使用，直到更精确或更新的实验将这个理论证伪为止。到那时，科学家就会提出一个新的理论来取代旧的理论，并做出新的预言。

电磁波的发现，也遵守了这样的科学范式。

最开始，电磁波是由麦克斯韦方程组预言的。麦克斯韦方程组为什么能预言电磁波的存在呢？这里我们需要先说明一下，什么是波？

很多人在讲什么是波的时候，总是喜欢举水波的例子，但是，水波固然是波，但是波到底是什么呢？ 事实上，波是一种运动的方式，跟匀速直线运动可以认为是一种符合线性函数的运动一样，波也可以认为是一种符合波函数的运动。

但是，我们要如何知道一种运动的数学函数是波函数呢？甚至于，我们又怎么才能判断一个物理对象，它的本质是波呢？你说你从某种巧妙的实验中，观测出来了这个物理对象的运动规律，从而建立了一个符合观测结果的波动模型——这我可以理解，但是，如果你看过麦克斯韦方程，你会知道这个方程里，完全没有时间、速度和位移这些物理量，而众所周知，麦克斯韦是通过麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，这又如何能做到呢？

原来呀，在经典物理里面，我们可以利用牛顿第二定律 F=am ，得到一个经典波动方程。这个波动方程是科学家的重要的工具：如果一个物理量，它可以是一个波动方程的解，那么我们就可以认为它是波。

三维空间下的经典波动方程长什么样子呢？ 它长下面这个样子：

你是不是以为我要展开讲波函数？不，我成熟了。我们就看个感觉就行了，这个里面的那个倒三角，叫拉普拉斯算符，你就知道这是个计算符号就行了，具体啥意思有兴趣咱们以后有机会再说，这个f，就是波函数，而等号右边的 v 很重要，这个是波的传播速度。

为啥这个叫"经典波动方程"呢？在物理里，经典的意思，其实就是它没有考虑量子效应或相对论效应。前面说了，经典波动方程是基于牛顿第二定律推导出来的，显然并没有考虑过量子效应。我们知道，量子微观系统状态，也是一个波函数，那么这个波函数，就不可能是经典波动方程的解——此时我们需要一个考虑了量子效应的更普适的波动方程，你可能已经猜到了，这个方程就是大名鼎鼎的：薛定谔方程。

言归正传，现在我们知道了经典波动方程长什么样子，麦克斯韦当年就是在这个方程上摩挲盘桓，最终，他把真空中的电和磁的条件代入了自己的麦克斯韦方程组，然后通过数学变形，整理成了波动方程的样子——物理和数学不同的地方在于，物理往往并不需要实际的解出一个方程，仅仅通过建立方程，就能够了解到物理意义。

变形后的麦克斯韦方程组是什么样子呢，它长下面这个样子：

咋变形的呀？盆油，不要在意这些细节，我们主要看个气质。不过就算你不明白方程的细节，仅仅拿这两个方程与经典波动方程对比，你就会发现，不能说是非常相似吧，简直就是一摸一样！

现在我们可以说一下，方程1 里面 ，E是电场强度， 可以理解成电场 ；方程2里面，B 是磁场强度，可以理解成磁场。

而 u0 和 e0 其实是两个常数，一个是真空介电常数，一个是真空磁导率。对比经典波动方程，显然这两个常数的乘积，对应的就是波动方程里的速度项，美妙的是，两个常量的单位相乘以后，得到的，恰好就是：米每秒的平方分之一！

所以麦克斯韦断言，电场和磁场，是以波的形式传播的——电磁波，由此被预言！ 进而，我们也得到了电磁波的速度。

真空介电常数和真空磁导率，科学家们早就进行了测量，麦克斯韦提笔一算，发现，电磁波的速度，赫然就是，光速！

此时此刻，你能不能就说光是一种电磁波 ？ 速度一样，就是同一种东西 ？ 从逻辑上来说，其实是不能严格的“证明”的，但是麦克斯韦认为，物理世界里不会有那么多的“巧合”，于是，他大胆预言，光是一种电磁波！

所以，严格的说，光是电磁波的预言，一方面确实是基于麦克斯韦方程，另一方面，其实是基于某种信仰或者是审美——科学是对称的，简洁的，统一的。

你看，那你说科学本身，算不算是一种信仰呢？是，也不是。说是，是因为对很多科学理论追问到底，你都会发现，最终会落脚到几个底层观念上——比如守恒，比如对称。这些观念真的是总是成立的吗？其实我们不知道，甚至于，我们是不是身处在宇宙一个特定的空间，我们也不知道——宇宙如此之大，我们之于宇宙，沧海一粟耳，你说你发现的这点玩意儿放之宇宙而皆准，那是不是有点夜郎自大了？你看刘慈欣的小说《三体》里，不就幻想了宇宙中存在光速完全不一样的“黑域”吗 ？所以对于这些底层观念，你只能选择信不信。

那说科学为什么又可以不算是一种信仰呢？因为信仰一定存在一个不能质疑的根本观念，比如上帝的存在，但是科学是可以质疑的，只要有证据，当年，波尔老师就差点放弃了能量守恒定律——科学家在面对碧落黄泉，茫茫宇宙，有更广阔的心胸。

说回到光，麦克斯韦预言了光是电磁波以后，很多科学家发现，如果把光看成是电磁波然后建立理论，目前为止，理论所预言的结果与测量都是一致的。比如，简单的：光的折射、反射、干涉、衍射，稍微复杂一点的，对光所携带能量的计算。

这就是我们相信光是电磁波的全部原因。

那么，光真的是电磁波吗？我们恐怕不得不谦卑的回答，其实不好说， 如果有一天，科学家给出了否定的答案，希望你也不要太过吃惊。