01 光是什麼 What is Light?

  光，使我們看到周圍的世界。我們通過對光的感知來收集物理世界的第一手信息，並觀察它們的變化。從這個角度來說，光的這種承載與傳遞信息的能力，也許就是它最重要也是最顯著的特徵。

  眼見為實

  視覺幫助我們找到自己在周圍環境中的位置，同時也幫助我們定義外部事物，為我們構建出一幅真實的世界圖景。不僅如此，視覺所激發的想像力遠超視覺本身。在圖1里我們可以看到喬治·理奇蒙德(George Richmond)的畫作《光的創造》，它表現了光在人類心靈中占據了非常核心的位置。英語中還有很多由光的概念衍生出來的詞語，例如insight(洞察力)、illumination(既可以譯作光源，也可以譯作啟迪)、clarity(清晰，既可以表示畫面或聲音的清晰，也可以表示思維的清晰)。這些詞彙都與人的品質或是世界的物理特性有關。在拉丁語中，有這樣兩個描述光的詞語，一個是l u， x一個是l u m。e它n們分別從物質的角度與形上學的角度對光進行描述。本書的重點放在前者，即從物質的角度來解析光的概念。在哲學、神學、心理學、藝術和文學領域，光的物理特性與其特有的詩意交織縱橫，使得光也常被拿來作比喻，表達對世界的思索，畢竟幾乎所有人都感知過光。正是由於光的物理特性，以及人們通過對光的思索而產生的意識觀念，使光成為科學家與哲學家們數百年來經久不衰的研究對象。

  圖1　喬治·里奇蒙德《光的創造》

  光賦予萬物生命。毫不誇張地說，光與我們人類甚至地球得以存在的生物反應過程和化學反應過程息息相關。可以說，光塑造了我們對周圍事物的認知。從我們的日常經驗出發，也能理解光的這種重要性。例如，我們用光來進行照明，既可以是太陽或者月亮發出的自然光，也可以是人造光。大多數的常見光源都使用電力，但有時候我們也使用化學反應來製造光源，例如燃燒蠟燭。光源的不同特徵會影響我們對周圍環境的感知，因為不同的光源為它所在的物理空間營造了不同的「情緒」。

  光使生命成為可能。地球上的能量主要源自太陽。光是太陽輻射能量的一種主要方式，包括可見光和我們無法直接觀測到的不可見光。想像一下，你躺在陽光下的沙灘上，或者坐在室外的花園中，你身上感受到的「溫度」就是因為太陽輻射出的某種不可見光的作用。這只是光的生理效應的一個例子。

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  地球為保證生命延續，持續進行著一系列令人驚嘆的生化反應過程。在這一過程中，光扮演著非常重要的角色，在它的助力下，「無用分子」二氧化碳被轉化為「有用分子」氧氣。這一反應的逆反應，即將氧氣轉化為二氧化碳，來自生物的呼吸以及燃料的燃燒。

  在太陽光數百萬年時間的作用下，地球上的生態圈以及可以提供其他能源的地質特徵得以形成。沒有太陽能，不管是煤炭還是石油都不可能形成。但是，我們對於這些化石能源的利用正在改變太陽光影響地球的方式。太陽輻射的一些不可見光，例如紫外線，可以被地球和大氣所吸收。但是其他不可見光，例如紅外線，則會被大氣反射回去。同理，由地球表面產生的紅外線會被困在大氣層之下，導致地球表面溫度升高。

  利用光進行通信

  自人類誕生以來，圖像一直都是人類文明的一部分。圖像不僅影響著我們對世界的認識，還深深影響著我們對自身所處環境的認知。光學技術在圖像方面作出了革命性的貢獻。比如，通過膠片和數碼攝像可以簡單、快速地捕捉影像。這使得人們可以記錄下人物、地點和事件來進行報導，並廣泛傳播出去(現在主要是通過網際網路傳播，而網際網路的應用也離不開光學)。除此之外，它們還可以記錄那些具有深遠影響的事物，例如領袖與工人們的照片、令人驚嘆的自然景觀、毛骨悚然的戰爭場景，這些圖像會以意想不到的方式使人們變得團結或分裂。例如，圖像可以用來號召群眾採取行動，激發同情心，以及使人們對共同擁有的經歷進行更深刻的反思，等等。我們可以回想一下人類在月球上邁出第一步的場景(見圖2)，它引發了全人類的強烈驚喜。捕獲移動影像的技術為歷史敘事增加了一個新的維度——你能夠想像沒有電視、電影和視頻的生活嗎？

  圖2　尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）在月球上為登月同伴埃德溫·奧爾德林（Edwin Aldrin）拍攝的一張照片，照片中奧爾德林在月球表面行走

  現在，圖像的生成與傳播已經如此普遍，以至於我們在日常生活中根本不會有所留意。我們每天都使用發光顯示屏，比如電視、電腦、平板和手機。這些設備都以光為媒介，為用戶傳送信息。幾乎所有的遠程通信都是以光為媒介，沿著名為光纖的細玻璃絲進行傳輸的。這正是網際網路光纖寬帶服務的基礎，基於此，千家萬戶得以連接上網際網路。即使在電視機和電腦里，光也非常重要。例如，刻在CD或DVD上的音樂、視頻與圖片都是通過光進行讀取的。微型雷射器的微型磁頭被用來「讀取」光碟，它將光碟上的信息轉換成電信號並傳輸到顯示屏上進行顯示。我們上網、下載文件、收發郵件等活動都需要能夠容納巨大的信息量的傳播媒介，而唯一能滿足我們要求的，就是光。

  在現代社會的交通運輸中，光以信號燈的形式來規範我們的交通運行。從城鎮的路燈到機場的著陸燈，光都是導航的重要組成部分。光在車輛維護方面也很重要。例如，雷射被用來對齊汽車的車輪，又比如常見的光控點火器，可以用來驅動內燃機引擎。

  可以說，光以多種多樣的方式，承載著創造現代生活所需要的能量與信息。

  光學

  所有對光進行的研究統稱為光學。光學是最古老的科學學科之一，它的歷史發展進程為現代科學的產生開闢了一條極其重要的道路。光學領域中提出的新想法曾經為很多不同領域研究中新觀點的產生提供了靈感，比如原子和分子動力學。通過對光的深入了解，人們開發出新的技術，這些技術也已經成為解開自然界中其他未解之謎的關鍵。例如，伽利略設計的光學望遠鏡不僅幫他觀測到了木星的衛星，還幫助科學家們向「太陽系中的行星均圍繞太陽運動」這一新發現邁出重要的一步。而這一發現反過來又極大地促進了萬有引力定律(解釋行星運動的規律)的發展。

  光學這一學科可以追溯到公元前4世紀，一些希臘哲學家對光進行了研究。這之後的兩千多年中，光學一直持續蓬勃發展。令人驚訝的是，儘管已經有很多具備卓越才能的學者前赴後繼地研究，光學在兩千多年後的今天仍然不斷地綻放出新的光彩。時至今日，仍然有很多新的光學現象不斷被發現。在過去的20年間，有十多個諾貝爾獎被頒發給了與光相關的科學研究，可以說，光學仍然處在現代科學的前沿。例如，在超低溫條件下如何在超短時間內對原子和分子的運動進行控制和測量的研究，使鐘錶的時間精確度提升了1000倍；另一個例子則是研究如何才能夠觀測到活細胞內部，從而使我們能了解到其中的變化情況。

  光是什麼

  要討論光是什麼，可以從光非常常見的一些性質入手：亮度、強度、顏色和溫度。這些可感知的特性都說明了光是一種物質實體。但是，光到底是什麼呢？

  我們可以用家用燈泡作為例子，先來談談光的亮度。家用燈泡的功率通常有幾十瓦(功率的單位為瓦特，簡稱為瓦，用W表示，代表每秒所消耗的能量)，具體數值根據燈泡型號不同而不同。一個50W的燈泡足以照亮整個房間，而汽車前照燈的功率一般略大一些，在60W到100W之間。足球場上用來照明的泛光燈的功率則更大，高達幾千瓦。之後我會詳細討論光是如何由這些不同的光源產生的，但是通過功率的大小，我們已經對光的亮度有一個具體的概念了。毋庸置疑，太陽是亮度最大的光源之一。它輻射的能量巨大，其功率超過了1025W。(在數字1後面跟著25個0!)由於太陽的亮度是如此之大，即使它距離我們非常遙遠，我們仍然不能直視太陽。

  以上討論的光，與我們相距越遠看起來就越暗。因此，功率並不是衡量亮度的唯一指標。在某種程度上，亮度與我們從光源那裡接收到的能量的比例有關。例如，一支雷射筆的功率比燈泡的功率低很多，通常只有千分之幾瓦(不到10-2W或者10mW)，但是它照射在屏幕上的時候看起來非常亮。這就引出了下一個與光的亮度有關的概念。

  這個重要的概念就是光的強度(更準確的表達是「輻照度」，但是人們更熟悉的可能是「強度」這個術語)，即接收器每單位面積上接收到的光的能量。光的強度取決於光源的聚光能力。雷射筆發射出的光看起來很亮，這是因為它的光束聚集在一個很小的點上，相比而言，太陽光則在一個很大的區域內擴散。因此，即使太陽輸出的能量很大，但是它發出的光的強度卻不及一支雷射筆。

  描述光源聚光能力的基本特徵被稱為「光源相干性」。這與光源傾向於向某個特定方向發射光的特性有關。比如，太陽和燈泡總是向各個方向輻射光，這就是為什麼我們在地球的任何角落都能看到太陽，在房間的任何地方都可以看到燈泡。但是雷射筆只朝一個方向發射光，即雷射筆所指向的那個方向。如果雷射沒有照射在某個表面，人們就無法看到雷射，這是因為雷射束具有明確的指向性。所以雷射筆是很好的相干光源，燈泡則是非相干光源。

  光的另一個決定性特徵，可能也是它最明顯的一個特徵，就是光的顏色。彩虹是雨水與陽光的相互作用而顯現出來的多彩色帶，色帶由藍色逐漸變化到紅色，它體現了色譜的基本概念。事實上，彩色視覺模型的發展是光理論發展的一個中心環節。色彩不僅與感官緊密相連，還與物理學密切相關。這一點可以從艾薩克·牛頓爵士(Isaac Newton)(圖3左圖)與約翰·沃爾夫岡·馮·歌德(Johann Wolfgang von Goethe)(圖3中圖)分別做的探索顏色本質的實驗中得到證實。牛頓是18世紀早期科學領域的領軍人物，他在他的著作《光學》中對光進行了定義，這一定義在長達兩個世紀的時間裡受到了廣泛認同。歌德則是18世紀後期文學界的領軍人物，他將科學理念融入他的作品中，但是他認為牛頓對於光的本質的認識大錯特錯。

  圖3　艾薩克·牛頓（左）、約翰·沃爾夫岡·馮·歌德（中）和羅莎琳·富蘭克林（右）

  牛頓所做的這個實驗享譽世界。該實驗的第一部分與笛卡兒(Descartes)以及其他人先前所做的相似：讓太陽光穿過一個位於深色屏幕上的小孔，僅有一小束光可以穿過小孔。讓這一小束光透過稜鏡並照射在屏幕上。這時，我們就會在屏幕上看到類似彩虹的顏色帶。牛頓認為這一系列顏色就是白光被分解後的顏色，且這些顏色具有普遍性。歌德被這一現象深深吸引，他從當地的一個貴族那裡借來一些稜鏡並自己動手做起了實驗。他很快便得出結論，認為牛頓的實驗完全是錯誤的，這是因為歌德自己發現了一套完全不同的顏色。

  在歌德的實驗中，他透過稜鏡去看窗框。他和牛頓的做法完全相反，他在一片明亮的背景中觀察一條黑線，因此，他看到的顏色和牛頓觀察到的完全不同。相比於牛頓觀察到的紅色、綠色和藍色，歌德觀察到的則是青色、品紅色和黃色。這一套顏色是牛頓所觀察到的色譜的補色。將牛頓看到的顏色合在一起得到的是白色，將歌德看到的顏色合在一起得到的則是黑色。

  歌德認為，顏色是我們感知到的一種事物，牛頓卻認為這是光的一種固有特性。他們的觀點其實都是正確的。今天，我們已經將顏色的物理屬性與它的生理學特性(對顏色的感覺)分離開來了。個體對顏色的反應是各不相同的。事實上，基於這個原理，彩光甚至可以用來進行醫學治療。從藝術的角度來看，我們的意識脫胎於對某種特定顏色光的感知，這種解讀十分重要，可以簡單地理解成感知顏色是非常重要的。然而，從物理學角度來看，我們可以明確地為「顏色」這一標籤賦予一個基本物理特性——頻率，至少在我們進入量子光學領域之前可以這麼做。

  光的範圍遠遠超出了可見光譜的範圍。從藍色可見光的一端向不可見光區域擴展，會依次經過紫外線、遠紫外線譜區，接著延伸至X射線、γ射線譜區。從紅色可見光的一端向反方向擴展，則會依次經過紅外線、微波、無線電波直至T射線[1]譜區(見圖4)。要「看到」它們，僅僅用肉眼是不夠的，我們還需要藉助其他各式各樣的工具，但至少我們已經知道這些「顏色」的光是存在的。例如，我們之所以能夠感受到太陽的溫度，是由於我們的皮膚吸收了太陽輻射出來的紅外線；低頻微波常常被用於手機通信，還可以通過加熱食物中的水分來烹飪食物。波長較短的不可見光也很常見，例如太陽輻射出的紫外線會導致皮膚曬傷，而X射線常常被用於醫學成像。

  X射線也被應用在很多非醫療領域，例如可以利用X射線衍射圖揭示分子或者固體的結構。將X射線照射到分子或者固體中時，如果其構成原子是規則排列的，那麼經過這些原子散射出來的X射線會形成一定的圖案。即使原子之間的距離是人類頭髮絲直徑的萬分之一，我們也可以從該圖案中推斷出原子的排列結構。最著名的例子也許就是半個多世紀前，詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)根據羅莎琳·富蘭克林(Rosalind Franklin)(圖3右圖)與莫里斯·威爾金斯(Maurice Wilkins)拍到的X射線衍射圖確定了DNA的分子結構。這一發現讓我們了解了分子的複製機制，為生物醫學領域帶來了巨大的變革。

  圖4　電磁波譜

  這些應用都顯示了光的重要性。從廣義上講，光幫助我們構建起現代世界，並讓我們能夠充分享受現代科技。這一切都仰仗19世紀許多科學家的基礎研究工作，他們是：麥可·法拉第(Michael Faraday)、漢斯·克里斯欽·奧斯特(Hans Christian Oersted)、安德烈·馬利·安培(AndréMarie Ampère)、查爾斯·奧古斯丁·德·庫侖(Charles Augustin de Coulomb)、亞歷山德羅·伏特(Alessandro Volta)、喬治·歐姆(Georg Ohm)、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)和海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)。可見光與其他與之大相逕庭的不可見光，如微波和X射線之間，存在著某種聯繫，這種聯繫非常引人注目。能夠發現這種聯繫可以說是這些科學家以及其他貢獻者取得的一大勝利。

  色域，或者稱為光譜，為藝術和科學提供了工具。畫家或者藝術家致力於探索如何對各種色彩進行組合，而光譜學家注重探索物質對不同顏色的反應。例如，在19世紀早期，約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫(Joseph von Fraunhofer)通過觀察太陽輻射出的某些特定顏色的光，從而確定了太陽存在的一些原子類型。他留意到太陽光譜中缺失了一些特徵顏色，並指出這些顏色是某些特定原子的「指紋」。光譜研究是光譜學的領域之一，它利用光來識別不同的原子和分子。現在，光譜學是一項很重要的學科，對從健康監測到遠程檢測大氣污染物等多個領域都有著重大影響。

  除了這些為人們所熟知的性質，我還想指出光的另外一個性質。它也存在於我們日常生活中的各個方面，只不過沒有光的其他性質表現得那麼明顯。它就是光的偏振性。

  3D電影就是利用了光的偏振性。看3D電影需要觀眾戴上特殊的眼鏡，眼鏡的框架是硬紙板或者塑料，框架內夾著塑料片做的「鏡片」。如果你拿兩副這樣的眼鏡，把其中一副的左鏡片平移到另一副的右鏡片上，並透過這兩個交疊的鏡片去觀察一個發光的燈泡，燈泡看起來會非常昏暗。或者，你可以把其中的一副眼鏡相對於另外一副旋轉90°並把兩副眼鏡的左鏡片與左鏡片(或右鏡片與右鏡片)重合，也可以觀察到同樣的現象。也就是說，光幾乎不能透過如此交疊的兩個鏡片。

  這個現象可以利用光的「方向」性進行解釋。常見光源所發出的光並沒有什麼首選的傳播方向。當你透過這種有調光作用的鏡片觀察一束光時，會發現光變得暗淡了一些，這是因為鏡片選擇了特定的光傳播方向。左鏡片允許某一個方向的光透過，右鏡片允許的透光方向則與其相互垂直。這就是為什麼當你將第二個鏡片旋轉90°並與第一個鏡片對齊時，沒有光可以透過：因為通過第一個鏡片的光具有方向性，但是該方向並不是第二個鏡片允許通過的方向。這種方向性特徵就稱為光的偏振。提出並理解偏振這個概念經歷了大量細緻的探索。偏振是基於光的應用的一個重要特徵，而且對理解光的本質而言非常重要。

  強度、顏色和偏振這些物理特性使得光可以用來辨別、測量和控制物質。基於這些特性，一系列工具得以發明，從而實現對物質甚至尺寸更小的對象進行研究和操控。在這一章所舉的例子中，光幾乎都扮演著信息載體的角色。無論是一張圖片、一段光譜或者一次電話通話，光都扮演著信差的角色。除此之外，光還有其他的一些用途。例如，我們可以利用光的熱效應對金屬和其他材料進行精確切割。相比於用鋸子，用高能雷射加工厚達幾厘米的金屬片會更快、質量更好且浪費更少。在醫藥學方面，光也有著多種用途，從雷射手術矯正視力到激活抗癌藥物都有涉足。

  光使我們能夠在任意可想像的時間和空間維度上觀察自然界。在時間維度上，我們既可以觀測到宇宙形成的初始時刻，也可以觀察到電子在原子、分子內部以難以想像的超高速度運動。在空間維度上，大至宇宙中星雲的排布，小至石墨烯中碳原子的排列，都可以被觀測到。光還幫助我們深入了解自然界賴以存在的基礎，從量子物理學中的奇怪現象到DNA分子的結構，不勝枚舉。

  縱觀光學的發展歷程，我們可以看到對光的新發現使新技術得以應用，這些新技術反過來又促使許多科學領域產生新的發現。從眼鏡的發明，到如今最精確的原子鐘，再到現代成像、測試、通信技術，光在每一個階段都有著不同的應用，為我們的生活方式帶來了革命性的變化。儘管光學是一門古老的學科，但是這個新發現與創新所形成的循環使得光學依舊散發著蓬勃的生命力。本書將首先介紹我們是如何一步一步形成光的現代理論，接著討論我們是如何使用光，從而對世界產生新的認識，產生改變世界的新能力。

  [1]　即太赫茲射線。