狭义相对论在宏观世界里无疑是一个成功的理论，他用简洁优美的公式统一了低速和高速世界，发现高速世界的景象并不是我们常识中的东西。量子论在微观世界也无疑是一个成功的理论，它发现了一个全新的微观世界，原子并不是我们想象中的那样是一个宏观物体的缩小，它会干涉、衍射，还会跃迁、坍缩。然而狭义相对论进入微观领域就有些力不从心了，虽然质能方程仍然普遍成立，虽然微观世界也不存在超光速信号，但微观粒子既然连轨道的概念都不存在，又怎么会受到相对论力学的束缚呢？同样，量子论中的薛定鄂方程也不满足相对性原理，所以在处理高速问题时肯定会有麻烦。即使是氢原子，它也无法解释精细结构，需要相对论修正，更何况还要引入一个看上去毫无道理的电子自旋概念。所以自然的想法就是找到一个新的理论，既满足相对性原理，又可以在低速近似下退化为薛定谔方程。通过探索，学者们找到了两条路。其中一条路上走着的是克莱茵和狄拉克，他们的思路是找到一个新的满足相对论的波动方程。于是分别建立了KG方程和狄拉克方程。狄拉克求出了氢原子的严格解，并且自然的预言了电子自旋。同时，相对论方程预言了反物质的存在。现在我们去第二条路上看看。 
    爱因斯坦认为，法拉第最大的贡献不是电磁感应定律，而是他的力线。法拉第为了理解磁现象，首先提出了场的概念。简单地说，场是弥散在空间中的一个区域，或者说是空间的一种紧张状态，它代表了一种施力的可能性，而且场可以独立的存在。麦克斯韦关于电磁场的场方程组一直是物理美的典范，爱因斯坦广义相对论也是一种经典场论。量子场论的核心是，万物都是由场构成的，而且仅仅由场构成。场具有能量，因此有质量。实物粒子都是场的状态，粒子是场的中心。 
    1926年，玻恩、海森伯、约当提出了电磁场的量子理论，量子场论从此诞生。在这个理论里，电磁场本身是一个同时满足量子力学原理和相对性原理的系统，从而建立起描述这个系统的场方程。它实际上就是描述电磁场本身运动的“薛定谔”方程，如同电子的Ψ场一样，描述了电磁场的Ψ场。更确切的说，它预言了在空间某点处发现电磁场有不同强度的概率。薛定谔方程预言粒子能量量子化，同样，电磁场的量子场论预言电磁场会量子化为各种频率的能量包，这些能包就是光子。新的理论解释了光子存在的理由，而爱因斯坦的光量子假说只是假设光子存在，并没有更基本的理由。 
    量子场论的思想是：从场论出发，然后将场量子化，从而导出与场相联系的粒子，这些粒子是场的量子，它以分立的能包形式（粒子）显示自身的存在。 
    1929年，海森伯和泡利将量子场论思想应用到实物粒子，对电子的Ψ场进行了量子化。这种电子场遵从量子论原理和相对性原理。他们发现，量子化后的电子场会以分立能包的形式显示自身，只是这个能包不再是光子，而是电子。或更确切的说，量子场论预言了电子的存在。推而广之，自然界中所有的粒子都有对应的场，都是这个场的量子，如质子场、中子场、中微子场、μ子场……因为自然界是由场构成的，而量子化后的场以粒子的形式显示自身，所以我们看到的自然界由粒子构成。 
    有了量子场，我们可以描述单个电子和单个光子的行为了，但自然界中一个最基本的过程：光电效应或康普敦散射我们如何理解呢？爱因斯坦光电效应方程和康普敦散射的推导只用到了能量（以及动量）守恒这一普遍原理，并没有揭示相互作用的细节。1947年，费曼和施温格分别以不同的方式建立了电子与光子相互作用的理论：量子电动力学。量子电动力学是目前为止最精确的理论，它精确预言了兰姆移位和电子反常磁矩。费曼发现，为了使量子场符合相对性原理，必须存在一个时间上逆行的电子。而这个在时间的反方向上运动的电子其可观测效应与另一个带正电的电子在时间正方向上完全相同。这就是正电子。早在1928年，狄拉克就利用他的相对论波动方程预言了正电子的存在。现在已经有很多学者改变了他们对反物质的看法，放弃了狄拉克的真空负能海，转而认为，反物质就是在时间上逆行的物质。 
    引用一位化学家的名言：世上没有废物，只有被放错地方的财富。 
    可是如果我们不了解光子，又怎么能指望会将它放对地方呢？ 

    这50年的沉思，并没有使我更接近“什么是光量子”这个问题的解决。今天每个乡巴佬都以为知道它的答案，但他是错了。——爱因斯坦 
    光究竟是什么？牛顿时代的人们坚信，光是由光源发射出的大量微粒。与他同时代的惠更斯明确提出了光的波动说，但没有竞争过微粒，因为他认为光波类似于声波，是一种流体介质中的纵波，这种流体就是后来的流体以太（流体中横波不能传播），我们知道，光实际上是一种横波，因此惠更斯推导出的结论与当时的实验符合得并不好。虽然微粒说对牛顿环的解释牵强附会，但它的确很好的解释了当时已知的各种光学现象，比如直线传播、反射、折射等（微粒说认为水中的光速大于真空中光速）。进入19世纪，著名的大科学家如拉普拉斯、泊松等人都是微粒说的支持者，然而托马斯.杨做成了双缝干涉实验，菲涅尔也提出了他的波动光学，牛顿的微粒说被推翻了。光的偏振的发现又表明，光是一种横波，于是学者们不得不抛弃流体以太，重新建立起一套弹性以太模型。为了解释各种光学及力学现象，科学家们为以太附加了许多奇特的性质，从而使以太学说成为19世纪科学理论的两大基础之一（另一个基础是原子论）。麦克斯韦电磁场理论问世后，光作为一个特殊波段的电磁波，使得光学成为电磁学的一个分支，也使得人们对光的认识有了质的飞跃。然而麦克斯韦却发现在他的方程组中没有以太的位置，光速是作为一个常数的身份出现的，在当时看来，在地面上和飞奔的火车上测量到相同的光速是不可理解的，因此麦克斯韦做出了一个非常遗憾的论断：他的方程组只在以太参考系内严格成立，在其他惯性系内需要用伽利略坐标变换，导出在新的惯性系内成立的方程组。结果在除以太系外其他惯性系内的方程组均其丑无比，方程组天然的美感被破坏的几乎荡然无存。这一状况直到相对论问世才被消除，不过在当时所有的人都认为，地面参考系内的麦克斯韦方程组只是近似。 
    然而麦氏方程组真的就完美的刻画了光（或者说电磁波）的本质了吗？光是什么这一悬案已经彻底告破了吗？可惜的是，麦氏方程组预言了电磁波，而电磁波的性质却超出了方程组的限制。1900年，普朗克发现能量量子化，最终量子化的概念横扫整个物理界。1905年，爱因斯坦发表了光量子理论，解释了光电效应，因此获得了1921年诺贝尔奖。现在让我们重温爱因斯坦的推理：能量现在有两个基本性质：一个是能量守恒，一个是能量量子化。如果一个振动电荷能量是量子化的，那么它的能量变化只能从一个允许的能量瞬间跃迁到另一个允许的能量，因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着电荷发射的辐射，必须是以一股瞬时的辐射迸发的形式从振动电荷产生出来，而不是麦克斯韦电磁理论预言的长时间的连续波。这样，辐射永远是以一个个小包的形式出现，它以光速运动，静止质量为零，由振动的带电粒子发出，这就是光量子。这似乎就是牛顿光微粒的翻版，光源中有大量的振动带电粒子，因此光源向空间发射出有限数目的光量子。然而怎样解释干涉呢？又如何解释麦氏方程组的成功呢？麦氏方程组在光量子理论中又是什么角色？爱因斯坦通过分析指出，麦克斯韦理论中场量的平方正比于光量子的粒子数密度（玻恩后来从这里得到启示，提出了波函数的概率诠释，并因此获得了诺贝尔奖），而统计力学中那个玻色-爱因斯坦统计应用于光量子时，就是光量子随频率分布的概率密度函数。这样自然就可以解释光量子的行为了，干涉和衍射是一种光量子的统计行为，只有大量光子才会在整体上表现出波的性质。可惜爱因斯坦却对这种统计解释非常不安，这样一来，麦氏理论似乎只能是统计意义上的理论了。而爱因斯坦眼中的统计，意味着不确定和理论的不完备。这也就能够理解他为什么要花费后半生30年光阴去寻找统一场论了（而他当时认为的统一场论中只包含引力和电磁力），因为他认为麦克斯韦理论不够完备，只有统一场论才能够真正理解光量子。 
    相信几乎所有的量子力学教科书中都会提到让人发疯的单电子干涉实验。将电子换成光子有同样的效果。一个粒子怎样才会有一个伴生的频率？单个粒子如何实现自身的干涉？光子如何知道前面的缝是双缝还是单缝？当然，这一切疑问对于哥本哈根学派来说易如反掌。然而，我根本无法理解玻尔的互补原理，我接受了费曼的忠告：在量子力学里永远不要去钻死胡同，因为在这里还没有人安全的出来过。 
    不过作为一篇完整的文章，互不原理是不能少的。我觉得，对于互补原理一千个人会有一千种解释。我的理解是：当没有观测者时，不存在光量子的概念，光量子在这里没有意义，而它对应的波函数以严格的因果律演化，并在空间中弥散，表现出波的性质；而一旦试图观测，波函数会立即坍缩，以一个光量子的形象出现在观察着面前，光量子出现的概率与波幅平方成正比。如果换作通俗的语言的话那就是：波和粒子是硬币的正反面，是光量子的两个不同的属性，你可以得到它的波的一面，也可以得到它的粒子的一面，但无法同时得到波和粒子。波和粒子是一对互斥互补的概念，互斥的概念可以同时存在于一个事物上，但不能同时被感知，光具体表现出什么性质与具体的实验操作有关。因此问光是波还是粒子没有意义，在干涉实验面前，光是波，在光电效应面前，光是粒子，离开了实验，光无所谓波或粒子。 
    一些读者可能会认为，相对论与量子论势同水火，其实我也这样认为，呵呵……但如果它们联手的话，肯定会有好戏看的……