因为有光,我们才能看到这个世界。这个显而易见的事实开启了一次漫长而引人入胜的征程。在这个征程中,有关自然世界是如何运作的非凡观点得到了发展,同样得到发展的还有建立现代科学所使用的工具和方法,从而使我们的征程保持着理论与实验齐头并进的态势。
光携带着有关我们周围环境的信息,从遥远的恒星和星系到我们身体中的细胞,再到单个原子和分子,不一而足。光也是很多能够提高我们生活质量的技术的基础:互联网是由光驱动的;世界上最精确的时钟依赖于光;那些最为微小的物体——从单个原子到活的生物细胞——都可以通过光来进行观察与操纵;至于与光息息相关的图像和显示器,更是无处不在。光还揭示了量子世界所有的怪异之处,激发了我们对世界的想象。你可能会惊讶地发现,从人类真正理解光的实质到现在,还不足100年时间。直到现在,我们仍然试图从这种理解中获得新的见解。
这本书探讨了人们是如何从无到有地建立起对光的理解,包括光的本质以及光的用途的问题。这是一次伟大的历程,从古代开始,就有来自世界各地的人为此作出贡献:从雅典的欧几里得与巴格达的海什木构想出光线的概念;到美国洛杉矶的西奥多·梅曼[1](Ted Maiman)与日本德岛的中村修二开发了新的激光器;接着通过巴黎的奥古斯丁·菲涅耳[2](Auguste Fresnel)与伦敦的托马斯·杨(Thomas Young)对光的波动性进行的研究;英国阿伯丁的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和德国柏林的海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)从这些成果中发展出了电磁场概念;并最终由德国伯尔尼大学的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)与英国剑桥大学的保罗·狄拉克(Paul Dirac)博采众长,通过一个新的概念——量子场——解释了这些明显不相容的概念,即光是如何能够同时既是粒子又是波的。
对光的了解每加深一步,都会带来新的应用。例如,基于对光的折射的理解,用于矫正视力的眼镜得以发明。在光学领域,科学发现可以很快地转化成技术得以应用。光对现代世界的影响无疑是巨大的,但是却没有得到应有的重视。因此,联合国指定2015年为国际光年(International Year of Light),来歌颂光以及它所带来的一切。
我想要感谢亚历克斯·沃尔姆斯利(Alex Walmsley)和拉莎·梅农(Latha Menon),他们为本书的草稿提出了很多有用的评论,也要感谢我的同事们解答了一些具体技术的问题,还要感谢那些为本书提供插图的人。爱因斯坦曾经说过,“凡事都应该尽可能简单,但不应过分简单”(Everything should be made as simple as possible, but no simpler)。如果在本书中出现了与这个原则相违背的地方,那一定是我没有尽力遵从爱因斯坦规劝的缘故。
[1] Ted是人们对西奥·梅多曼(Theodore Maiman)的昵称
[2] 作者误将奥古斯丁·菲涅耳的名写作Joseph。