1866年约翰·坦尼尔画的笑脸猫
“好吧！”爱丽丝在刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝梦游仙境》中感到困惑地说，“我经常看到一只没有笑容的猫，但没有猫的笑容！这是我这辈子见过的最奇怪的东西。”
这一幕展现了柴郡猫独特的特征——它的笑容似乎独立于它本身，仿佛它自己从未真正出现过。
——引言《爱丽丝梦游仙境》
这个看似荒谬的设想，却为我们探索自然界的深层奥秘提供了一个有趣的隐喻。
柴郡猫的笑容，像是科学中的“媒介”，似乎总是在我们理应看到的地方，却又不完全存在。这种悖论在物理学中反复出现，成为我们理解宇宙的钥匙。
你看，波动一直是物理学的基础概念之一。
在过去的几个世纪里，科学家们普遍认为波动需要通过某种介质传播。想象一下水波：如果你扔下一块石头，水波就会在水中扩散。
同样，地震波需要通过地球的岩石传播，而声波则依赖空气或其他物质传播。如果没有这些媒介，波动的传播似乎是不可能的。
然而，这种经典的波动理论在19世纪面临了重大挑战。
科学家们发现，光似乎并不依赖于任何已知的介质。
虽然人们曾假设光需要穿越某种“发光以太”——一种看不见的媒介——但实验一次又一次地证明，这种假设没有实际证据。
甚至最经典的实验——迈克尔逊-莫雷实验——也未能揭示出光传播所需的任何介质。科学家们面临的困惑，与爱丽丝看柴郡猫的笑容时的困惑如出一辙：这似乎荒谬，却又在某种程度上揭示了更深的真理。
让我们从一个简单的实验开始。
想象一下你将一块石头丢入池塘。随着石头入水，水面上便会形成涟漪——这就是我们所说的水波。
波动沿水面向外传播，波的振幅随着距离的增大而逐渐减弱。这些波动通过水传播，是因为水作为媒介，允许波动通过并传递能量。
但如果你换一种方法，拿一根棍子敲击水面，会发生什么呢？
你将会看到一种不同的波动模式——这就是物理学中的“平面波”。
不同于圆形的水波，平面波通过媒介线性传播，其波峰和波谷沿着某个方向平行传播。
这种现象最早在17世纪就被科学家克里斯蒂安·惠更斯所描述，他用平面波与圆形波的关系，展示了波动是如何在不同介质中传播的。
波动的这一基本性质不仅适用于水波，也适用于光波和其他种类的波动。
惠更斯的波动理论认为，光是通过一系列球形波向外传播的，这个理论并非仅仅适用于水波，它同样适用于光、声波等其他波动形式。
这张并排的图片显示了两种类型的行波: 一种是平面压缩波，或者是左侧纵向 P 波，右侧是横向 S 波。P 波可以穿过固体、液体和气体，而 S 波只能穿过固体。(图片来源: Christophe Dang Ngoc Chan )
但我们接下来要面对的一个问题是：光的传播与我们熟悉的水波、电磁波等有何不同呢？水波通过水传播，声波通过空气传播，但光似乎能够在没有任何可见介质的空间中传播。
这就像柴郡猫的笑容——我们看不到媒介，却依然能感受到光的存在。
在17世纪，关于光的性质，科学家们产生了激烈的争论。
牛顿认为光是由微小的粒子组成的，而惠更斯则认为光是波动的。直到19世纪，实验才最终揭示了光的波动特性。
托马斯·杨的双缝实验是这一理论的关键证据。
杨通过将光射向一个有两条狭缝的屏障，观察到屏障另一侧并没有形成两条明亮的光线，而是产生了明暗交替的条纹模式。
这种现象叫做“干涉”，它只能在光波的背景下解释。也就是说，光的确是波动的，而不是粒子。
然而，光的传播仍然让科学家们困惑。尽管我们看不到它所穿越的介质，科学家们普遍认为一定存在某种看不见的物质。
于是，“发光以太”这一假设被提出，认为光必须在这种神秘的介质中传播。
然而，20世纪初，爱因斯坦的特殊相对论彻底改变了我们对光的理解。
爱因斯坦的伟大洞察力在于他提出，光的传播并不依赖于任何介质。
与水波或声波不同，光的速度是恒定的，无论观察者如何运动。无论你是在运动中，还是静止不动，光速始终保持不变。
这一发现震撼了整个物理学界，也让我们逐步理解了柴郡猫般的宇宙奥秘：光并不需要媒介，它以恒定的速度穿越时空。
爱因斯坦的特殊相对论不仅改变了我们对光的看法，还进一步揭示了时空本身的结构。时空不再是一个静止的背景，而是一个能够弯曲、伸缩的动态结构。
这种革命性的理论让我们意识到，光的传播其实是时空本身的特性，而非依赖于某种外部媒介。
十年后，爱因斯坦的普遍相对论提出了一个新的概念：引力波。
就像光波是电磁场的波动一样，引力波是由时空本身的波动产生的。引力波不需要任何介质，它们可以穿越整个宇宙，甚至能够在没有任何物质存在的地方传播。
2015年，科学家首次直接探测到引力波的存在。
这一发现不仅验证了爱因斯坦的理论，也证明了光波和引力波的共同特性——它们不依赖于传统意义上的媒介，而是直接传播于时空之中。
引力波的发现就像是科学家们终于看到了柴郡猫的笑容：它的存在，虽然难以捉摸，却不容忽视。
引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替地扩张和压缩空间，这是由引力波的偏振决定的
进入21世纪，物理学家们开始采用量子场理论来描述宇宙的基本力量。
无论是电磁场、弱核场、强核场还是希格斯场，这些看似无形的场都表现出类似柴郡猫笑容的特征——它们并不依赖于传统的媒介，而是存在于空无之间。
值得注意的是，爱因斯坦对时空本身的看法发生了变化。
在提出普遍相对论之后，他逐渐开始将时空视作一种“媒介”，但与传统的媒介不同，时空没有我们通常意义上的物质属性。正如柴郡猫的笑容，在时空中，我们看不到媒介的存在，却能感知到它的作用。
总结：
科学家们依然在努力解开宇宙的谜题。
虽然我们已知光波和引力波不需要传统意义上的介质来传播，但是否存在某种“潜在介质”仍是一个未解之谜。
爱因斯坦为我们打开了新世界的大门，而量子场理论则继续拓展我们的理解。
也许，在未来的某一天，我们会像爱丽丝一样，看到那只既不需要猫也不需要笑容的柴郡猫。
它的存在，或许正是宇宙最深奥的秘密——我们能感知它，却永远无法完全理解它。
