光是一种粒子，还是一种波动？物理学家为了这个问题激烈地争论了好几个世纪。量子力学以一种不可思议的方式解决了这个争论：都是。
为了理解光的波动性，假想一个电子决定到激光束下去做一个日光浴。激光束是稳定、相干、强烈的光束。这里的要点是，当电子进入激光束时，它将被拉着先跑到一边，然后又被拽到另一边，如此来回反复地振荡，以特定的频率。这个频率就是被代入方程E=hν的那一个。可见光（visible light） 的频率比1015 次振荡每秒要稍微低一点。
这个类比很奇特，但它容易给出一个更实际的例子。电磁波和光其实就是一回事，但具有小得多的频率。FM电台的频率大约是108 次振荡每秒，或108 Hz。我所居住的新泽西最流行的电台是101.5，它使用101.5兆赫兹的频率广播。一兆赫兹是一百万赫兹，或106 Hz。所以100兆赫兹就是108 Hz。这样101.5兆赫兹就是108 多一点点次振荡每秒。一个FM电台就建在差不多这样的频率上。当你调台时，你调整的就是电路里电子振荡的频率，要使这个频率和电台的频率对上号。这很像做日光浴的电子，收音机里的电子沐浴在电波下，吸收照在它身上的无线电波。
另一个应该会有益的类比是海上的浮标。一般而言，浮标通过链条拴在一个位于海底的锚上，这样它就不会被洋流和海浪冲跑了。浮标浮在水面上，在波浪的作用下上上下下地运动着。这就好比是日光浴下的电子对激光束的反应。关于日光浴下的电子实际上还有更多情节：除非它像浮标一样被什么东西拴住，否则它最终将沿激光束方向被推动。
迄今为止，我的解释都聚焦在光的波动性方面。它又将如何像粒子一样行为呢？著名的光电效应实验给我们提供了证据，光确实是由光子构成的，每一个光子的能量都是E=hν。我们来解释一下。如果你对着金属照射光，你能把电子敲出来。利用一个巧妙的实验装置，你可以检测到这些电子甚至还能测量它们的能量。这些测量结果可以这样解释。光由很多光子构成，这相当于对金属施加了很多小的打击，每次打击相当于光子撞击到金属中的一个电子上。假如光子有充足的能量，有时，它就能把与之碰撞的电子踢出金属。根据方程E=hν，更高的频率意味着更高的能量。我们知道蓝光的频率比红光高大约35%。这意味着一个蓝光子比一个红光子多35%的能量。假设你用钠来研究光电效应。实验告诉我们，红光的能量不足以把钠里面的电子踢出来。甚至更亮的红光也无法把电子踢出来，我们看不到任何电子。但蓝光子，因为它们有更高的能量，足够把电子从钠里面踢出来。甚至非常弱的蓝光也能做到这一点。可见问题的关键不是光的亮度——和光子的数目有关——而是光的颜色，是光的颜色决定了每个光子的能量。
能把电子从钠里面踢出来的光的最小频率是5.5×1014 次振荡每秒，即绿光。它对应的能量，利用方程E=hν，就是2.3电子伏。把电子接到一个伏特的电源上它可以获得的能量就是一电子伏。所以普朗克常数的数值将是2.3电子伏除以5.5×1014 次振荡每秒。通常将它简记为4.1×10-15 电子伏·秒。
小结一下，光在很多情况下的行为像波，然后在很多情况下像粒子。这被称为波粒二象性。根据量子力学，并不仅仅是光才有波粒二象性：万物皆有。
让我们暂时回到氢原子这个例子。我在上节中努力地向大家解释了量子化的能级可以被想象为具有确定频率的驻波。这是电子像波的一个例子。但如果你还记得的话，我在解释频率含义的时候被难住了。我引入公式E=hν，但我在是否应在电子的E中计入静能量这个问题上碰到了麻烦。对光子，我们没有这样的困难。光的频率确实更可把捉。通过调谐收音机的频率我们可以听到广播。所以当一个电子从一个能级跃迁到另一个，在这个过程中会发射一个光子，利用发射光的频率你可以把两能级间的能量差唯一确定下来。
希望迄今为止的讨论已经给你理解什么是光子提供了一个良好的感觉。完全理解它们是很困难的。这里的困难和所谓规范对称有关，我们将在第5章详细介绍这一概念。在本节的剩余部分，我们将探讨光子是如何把从狭义相对论到量子力学的概念编织在一起的。
狭义相对论基于这样的假设，光在真空中总以相同的速度（299 792 458 m/s）传播，而且没有任何物体可以运动得更快。每一个曾经沉思过这个断言的人最终都会堵在这个想法上，假如你把自己加速到光速，然后沿着你运动的方向发射出一颗子弹，那子弹就比光速跑得快了。这正确吗？没那么快。问题出在时间膨胀上。还记得我说过现代粒子加速器里的粒子所经历的时间慢了1 000倍吗？这是因为它们运动的速度非常接近于光速，你以光速运动，时间就完全停止了，你永远不会开枪，因为你永远不会有扣动扳机的机会。
看起来还有点漏洞需要再啰唆几句。你可以用比光速慢10 m/s的速度奔跑。你的时间会非常非常慢，但毕竟子弹可以从你的手枪里射出。射出后，子弹再慢相对于你而言也比10 m/s快多了，那它就肯定超过光速了。对吗？但速度不能这么相加。你运动得越快，超过你的速度就越困难。这不是因为有风向着你迎面吹来：比如我们可以假设是在外太空做这样一个实验 。真正的原因是在狭义相对论中时间、长度和速度都以某种方式纠缠在一起了。是相对论整体以某种方式使得我们不可能以超光速运动。考虑到相对论在描述世界取得的种种成功，大多数物理学家倾向于接受这句话的字面意思：你就是不能比光走 得快。
现在来讨论相对论的另一个断言，光在真空中总是以相同的速度运动？这个断言可通过实验来检测，我们可用不同频率的光来做实验，看起来都是对的。这说明对光子和其他粒子存在着鲜明的区别，比如电子和质子。电子和质子可以跑得快或慢。如果跑得快，它们就有很多能量。如果跑得慢，它们就有较少的能量。但电子本身永远不可能具有比它的静能量，E=mc2 ，更少的能量。类似地，质子本身的能量永远不可能比它的静能量少。光子的能量，E=hν，这里的频率ν可大可小与光速无关。特别地，对光子而言就不存在能量的下限了。这意味着光子的静能量是零。如果利用公式E=mc2 ，我们就得出结论光子的质量必须是零。这就是光子与其他大多数粒子的本质区别：光子没有质量。
可能与未来的讨论无关，但我们最好知道光速只是在真空里才有固定的速度。当光穿过物质时，光确实变慢了。我现在说的这种情况和可见光打在钠上不同：我说的是光穿过透明介质，比如水和玻璃。当光穿过水时，光速将变慢1.33倍。当它穿过玻璃时，它变得更慢，但肯定达不到两倍。钻石可以使光变慢2.4倍。这个数字，再加上钻石的清澈，造就了它独特闪耀的光辉。
