光，使我们看到周围的世界。我们通过对光的感知来收集物理世界的第一手信息，并观察它们的变化。从这个角度来说，光的这种承载与传递信息的能力，也许就是它最重要也是最显著的特征。

眼见为实

视觉帮助我们找到自己在周围环境中的位置，同时也帮助我们定义外部事物，为我们构建出一幅真实的世界图景。不仅如此，视觉所激发的想象力远超视觉本身。在图1里我们可以看到乔治·理奇蒙德(George Richmond)的画作《光的创造》，它表现了光在人类心灵中占据了非常核心的位置。英语中还有很多由光的概念衍生出来的词语，例如insight(洞察力)、illumination(既可以译作光源，也可以译作启迪)、clarity(清晰，既可以表示画面或声音的清晰，也可以表示思维的清晰)。这些词汇都与人的品质或是世界的物理特性有关。在拉丁语中，有这样两个描述光的词语，一个是l u， x一个是l u m。e它n们分别从物质的角度与形而上学的角度对光进行描述。本书的重点放在前者，即从物质的角度来解析光的概念。在哲学、神学、心理学、艺术和文学领域，光的物理特性与其特有的诗意交织纵横，使得光也常被拿来作比喻，表达对世界的思索，毕竟几乎所有人都感知过光。正是由于光的物理特性，以及人们通过对光的思索而产生的意识观念，使光成为科学家与哲学家们数百年来经久不衰的研究对象。

图1　乔治·里奇蒙德《光的创造》

光赋予万物生命。毫不夸张地说，光与我们人类甚至地球得以存在的生物反应过程和化学反应过程息息相关。可以说，光塑造了我们对周围事物的认知。从我们的日常经验出发，也能理解光的这种重要性。例如，我们用光来进行照明，既可以是太阳或者月亮发出的自然光，也可以是人造光。大多数的常见光源都使用电力，但有时候我们也使用化学反应来制造光源，例如燃烧蜡烛。光源的不同特征会影响我们对周围环境的感知，因为不同的光源为它所在的物理空间营造了不同的“情绪”。

光使生命成为可能。地球上的能量主要源自太阳。光是太阳辐射能量的一种主要方式，包括可见光和我们无法直接观测到的不可见光。想象一下，你躺在阳光下的沙滩上，或者坐在室外的花园中，你身上感受到的“温度”就是因为太阳辐射出的某种不可见光的作用。这只是光的生理效应的一个例子。

地球为保证生命延续，持续进行着一系列令人惊叹的生化反应过程。在这一过程中，光扮演着非常重要的角色，在它的助力下，“无用分子”二氧化碳被转化为“有用分子”氧气。这一反应的逆反应，即将氧气转化为二氧化碳，来自生物的呼吸以及燃料的燃烧。

在太阳光数百万年时间的作用下，地球上的生态圈以及可以提供其他能源的地质特征得以形成。没有太阳能，不管是煤炭还是石油都不可能形成。但是，我们对于这些化石能源的利用正在改变太阳光影响地球的方式。太阳辐射的一些不可见光，例如紫外线，可以被地球和大气所吸收。但是其他不可见光，例如红外线，则会被大气反射回去。同理，由地球表面产生的红外线会被困在大气层之下，导致地球表面温度升高。

利用光进行通信

自人类诞生以来，图像一直都是人类文明的一部分。图像不仅影响着我们对世界的认识，还深深影响着我们对自身所处环境的认知。光学技术在图像方面作出了革命性的贡献。比如，通过胶片和数码摄像可以简单、快速地捕捉影像。这使得人们可以记录下人物、地点和事件来进行报道，并广泛传播出去(现在主要是通过互联网传播，而互联网的应用也离不开光学)。除此之外，它们还可以记录那些具有深远影响的事物，例如领袖与工人们的照片、令人惊叹的自然景观、毛骨悚然的战争场景，这些图像会以意想不到的方式使人们变得团结或分裂。例如，图像可以用来号召群众采取行动，激发同情心，以及使人们对共同拥有的经历进行更深刻的反思，等等。我们可以回想一下人类在月球上迈出第一步的场景(见图2)，它引发了全人类的强烈惊喜。捕获移动影像的技术为历史叙事增加了一个新的维度——你能够想象没有电视、电影和视频的生活吗？

图2　尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）在月球上为登月同伴埃德温·奥尔德林（Edwin Aldrin）拍摄的一张照片，照片中奥尔德林在月球表面行走

现在，图像的生成与传播已经如此普遍，以至于我们在日常生活中根本不会有所留意。我们每天都使用发光显示屏，比如电视、电脑、平板和手机。这些设备都以光为媒介，为用户传送信息。几乎所有的远程通信都是以光为媒介，沿着名为光纤的细玻璃丝进行传输的。这正是互联网光纤宽带服务的基础，基于此，千家万户得以连接上互联网。即使在电视机和电脑里，光也非常重要。例如，刻在CD或DVD上的音乐、视频与图片都是通过光进行读取的。微型激光器的微型磁头被用来“读取”光盘，它将光盘上的信息转换成电信号并传输到显示屏上进行显示。我们上网、下载文件、收发邮件等活动都需要能够容纳巨大的信息量的传播媒介，而唯一能满足我们要求的，就是光。

在现代社会的交通运输中，光以信号灯的形式来规范我们的交通运行。从城镇的路灯到机场的着陆灯，光都是导航的重要组成部分。光在车辆维护方面也很重要。例如，激光被用来对齐汽车的车轮，又比如常见的光控点火器，可以用来驱动内燃机引擎。

可以说，光以多种多样的方式，承载着创造现代生活所需要的能量与信息。

光学

所有对光进行的研究统称为光学。光学是最古老的科学学科之一，它的历史发展进程为现代科学的产生开辟了一条极其重要的道路。光学领域中提出的新想法曾经为很多不同领域研究中新观点的产生提供了灵感，比如原子和分子动力学。通过对光的深入了解，人们开发出新的技术，这些技术也已经成为解开自然界中其他未解之谜的关键。例如，伽利略设计的光学望远镜不仅帮他观测到了木星的卫星，还帮助科学家们向“太阳系中的行星均围绕太阳运动”这一新发现迈出重要的一步。而这一发现反过来又极大地促进了万有引力定律(解释行星运动的规律)的发展。

光学这一学科可以追溯到公元前4世纪，一些希腊哲学家对光进行了研究。这之后的两千多年中，光学一直持续蓬勃发展。令人惊讶的是，尽管已经有很多具备卓越才能的学者前赴后继地研究，光学在两千多年后的今天仍然不断地绽放出新的光彩。时至今日，仍然有很多新的光学现象不断被发现。在过去的20年间，有十多个诺贝尔奖被颁发给了与光相关的科学研究，可以说，光学仍然处在现代科学的前沿。例如，在超低温条件下如何在超短时间内对原子和分子的运动进行控制和测量的研究，使钟表的时间精确度提升了1000倍；另一个例子则是研究如何才能够观测到活细胞内部，从而使我们能了解到其中的变化情况。

光是什么

要讨论光是什么，可以从光非常常见的一些性质入手：亮度、强度、颜色和温度。这些可感知的特性都说明了光是一种物质实体。但是，光到底是什么呢？

我们可以用家用灯泡作为例子，先来谈谈光的亮度。家用灯泡的功率通常有几十瓦(功率的单位为瓦特，简称为瓦，用W表示，代表每秒所消耗的能量)，具体数值根据灯泡型号不同而不同。一个50W的灯泡足以照亮整个房间，而汽车前照灯的功率一般略大一些，在60W到100W之间。足球场上用来照明的泛光灯的功率则更大，高达几千瓦。之后我会详细讨论光是如何由这些不同的光源产生的，但是通过功率的大小，我们已经对光的亮度有一个具体的概念了。毋庸置疑，太阳是亮度最大的光源之一。它辐射的能量巨大，其功率超过了1025W。(在数字1后面跟着25个0!)由于太阳的亮度是如此之大，即使它距离我们非常遥远，我们仍然不能直视太阳。

以上讨论的光，与我们相距越远看起来就越暗。因此，功率并不是衡量亮度的唯一指标。在某种程度上，亮度与我们从光源那里接收到的能量的比例有关。例如，一支激光笔的功率比灯泡的功率低很多，通常只有千分之几瓦(不到10-2W或者10mW)，但是它照射在屏幕上的时候看起来非常亮。这就引出了下一个与光的亮度有关的概念。

这个重要的概念就是光的强度(更准确的表达是“辐照度”，但是人们更熟悉的可能是“强度”这个术语)，即接收器每单位面积上接收到的光的能量。光的强度取决于光源的聚光能力。激光笔发射出的光看起来很亮，这是因为它的光束聚集在一个很小的点上，相比而言，太阳光则在一个很大的区域内扩散。因此，即使太阳输出的能量很大，但是它发出的光的强度却不及一支激光笔。

描述光源聚光能力的基本特征被称为“光源相干性”。这与光源倾向于向某个特定方向发射光的特性有关。比如，太阳和灯泡总是向各个方向辐射光，这就是为什么我们在地球的任何角落都能看到太阳，在房间的任何地方都可以看到灯泡。但是激光笔只朝一个方向发射光，即激光笔所指向的那个方向。如果激光没有照射在某个表面，人们就无法看到激光，这是因为激光束具有明确的指向性。所以激光笔是很好的相干光源，灯泡则是非相干光源。

光的另一个决定性特征，可能也是它最明显的一个特征，就是光的颜色。彩虹是雨水与阳光的相互作用而显现出来的多彩色带，色带由蓝色逐渐变化到红色，它体现了色谱的基本概念。事实上，彩色视觉模型的发展是光理论发展的一个中心环节。色彩不仅与感官紧密相连，还与物理学密切相关。这一点可以从艾萨克·牛顿爵士(Isaac Newton)(图3左图)与约翰·沃尔夫冈·冯·歌德(Johann Wolfgang von Goethe)(图3中图)分别做的探索颜色本质的实验中得到证实。牛顿是18世纪早期科学领域的领军人物，他在他的著作《光学》中对光进行了定义，这一定义在长达两个世纪的时间里受到了广泛认同。歌德则是18世纪后期文学界的领军人物，他将科学理念融入他的作品中，但是他认为牛顿对于光的本质的认识大错特错。

图3　艾萨克·牛顿（左）、约翰·沃尔夫冈·冯·歌德（中）和罗莎琳·富兰克林（右）

牛顿所做的这个实验享誉世界。该实验的第一部分与笛卡儿(Descartes)以及其他人先前所做的相似：让太阳光穿过一个位于深色屏幕上的小孔，仅有一小束光可以穿过小孔。让这一小束光透过棱镜并照射在屏幕上。这时，我们就会在屏幕上看到类似彩虹的颜色带。牛顿认为这一系列颜色就是白光被分解后的颜色，且这些颜色具有普遍性。歌德被这一现象深深吸引，他从当地的一个贵族那里借来一些棱镜并自己动手做起了实验。他很快便得出结论，认为牛顿的实验完全是错误的，这是因为歌德自己发现了一套完全不同的颜色。

在歌德的实验中，他透过棱镜去看窗框。他和牛顿的做法完全相反，他在一片明亮的背景中观察一条黑线，因此，他看到的颜色和牛顿观察到的完全不同。相比于牛顿观察到的红色、绿色和蓝色，歌德观察到的则是青色、品红色和黄色。这一套颜色是牛顿所观察到的色谱的补色。将牛顿看到的颜色合在一起得到的是白色，将歌德看到的颜色合在一起得到的则是黑色。

歌德认为，颜色是我们感知到的一种事物，牛顿却认为这是光的一种固有特性。他们的观点其实都是正确的。今天，我们已经将颜色的物理属性与它的生理学特性(对颜色的感觉)分离开来了。个体对颜色的反应是各不相同的。事实上，基于这个原理，彩光甚至可以用来进行医学治疗。从艺术的角度来看，我们的意识脱胎于对某种特定颜色光的感知，这种解读十分重要，可以简单地理解成感知颜色是非常重要的。然而，从物理学角度来看，我们可以明确地为“颜色”这一标签赋予一个基本物理特性——频率，至少在我们进入量子光学领域之前可以这么做。

光的范围远远超出了可见光谱的范围。从蓝色可见光的一端向不可见光区域扩展，会依次经过紫外线、远紫外线谱区，接着延伸至X射线、γ射线谱区。从红色可见光的一端向反方向扩展，则会依次经过红外线、微波、无线电波直至T射线[1]谱区(见图4)。要“看到”它们，仅仅用肉眼是不够的，我们还需要借助其他各式各样的工具，但至少我们已经知道这些“颜色”的光是存在的。例如，我们之所以能够感受到太阳的温度，是由于我们的皮肤吸收了太阳辐射出来的红外线；低频微波常常被用于手机通信，还可以通过加热食物中的水分来烹饪食物。波长较短的不可见光也很常见，例如太阳辐射出的紫外线会导致皮肤晒伤，而X射线常常被用于医学成像。

X射线也被应用在很多非医疗领域，例如可以利用X射线衍射图揭示分子或者固体的结构。将X射线照射到分子或者固体中时，如果其构成原子是规则排列的，那么经过这些原子散射出来的X射线会形成一定的图案。即使原子之间的距离是人类头发丝直径的万分之一，我们也可以从该图案中推断出原子的排列结构。最著名的例子也许就是半个多世纪前，詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)根据罗莎琳·富兰克林(Rosalind Franklin)(图3右图)与莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)拍到的X射线衍射图确定了DNA的分子结构。这一发现让我们了解了分子的复制机制，为生物医学领域带来了巨大的变革。

图4　电磁波谱

这些应用都显示了光的重要性。从广义上讲，光帮助我们构建起现代世界，并让我们能够充分享受现代科技。这一切都仰仗19世纪许多科学家的基础研究工作，他们是：迈克尔·法拉第(Michael Faraday)、汉斯·克里斯钦·奥斯特(Hans Christian Oersted)、安德烈·马利·安培(AndréMarie Ampère)、查尔斯·奥古斯丁·德·库仑(Charles Augustin de Coulomb)、亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)、乔治·欧姆(Georg Ohm)、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)。可见光与其他与之大相径庭的不可见光，如微波和X射线之间，存在着某种联系，这种联系非常引人注目。能够发现这种联系可以说是这些科学家以及其他贡献者取得的一大胜利。

色域，或者称为光谱，为艺术和科学提供了工具。画家或者艺术家致力于探索如何对各种色彩进行组合，而光谱学家注重探索物质对不同颜色的反应。例如，在19世纪早期，约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer)通过观察太阳辐射出的某些特定颜色的光，从而确定了太阳存在的一些原子类型。他留意到太阳光谱中缺失了一些特征颜色，并指出这些颜色是某些特定原子的“指纹”。光谱研究是光谱学的领域之一，它利用光来识别不同的原子和分子。现在，光谱学是一项很重要的学科，对从健康监测到远程检测大气污染物等多个领域都有着重大影响。

除了这些为人们所熟知的性质，我还想指出光的另外一个性质。它也存在于我们日常生活中的各个方面，只不过没有光的其他性质表现得那么明显。它就是光的偏振性。

3D电影就是利用了光的偏振性。看3D电影需要观众戴上特殊的眼镜，眼镜的框架是硬纸板或者塑料，框架内夹着塑料片做的“镜片”。如果你拿两副这样的眼镜，把其中一副的左镜片平移到另一副的右镜片上，并透过这两个交叠的镜片去观察一个发光的灯泡，灯泡看起来会非常昏暗。或者，你可以把其中的一副眼镜相对于另外一副旋转90°并把两副眼镜的左镜片与左镜片(或右镜片与右镜片)重合，也可以观察到同样的现象。也就是说，光几乎不能透过如此交叠的两个镜片。

这个现象可以利用光的“方向”性进行解释。常见光源所发出的光并没有什么首选的传播方向。当你透过这种有调光作用的镜片观察一束光时，会发现光变得暗淡了一些，这是因为镜片选择了特定的光传播方向。左镜片允许某一个方向的光透过，右镜片允许的透光方向则与其相互垂直。这就是为什么当你将第二个镜片旋转90°并与第一个镜片对齐时，没有光可以透过：因为通过第一个镜片的光具有方向性，但是该方向并不是第二个镜片允许通过的方向。这种方向性特征就称为光的偏振。提出并理解偏振这个概念经历了大量细致的探索。偏振是基于光的应用的一个重要特征，而且对理解光的本质而言非常重要。

强度、颜色和偏振这些物理特性使得光可以用来辨别、测量和控制物质。基于这些特性，一系列工具得以发明，从而实现对物质甚至尺寸更小的对象进行研究和操控。在这一章所举的例子中，光几乎都扮演着信息载体的角色。无论是一张图片、一段光谱或者一次电话通话，光都扮演着信差的角色。除此之外，光还有其他的一些用途。例如，我们可以利用光的热效应对金属和其他材料进行精确切割。相比于用锯子，用高能激光加工厚达几厘米的金属片会更快、质量更好且浪费更少。在医药学方面，光也有着多种用途，从激光手术矫正视力到激活抗癌药物都有涉足。

光使我们能够在任意可想象的时间和空间维度上观察自然界。在时间维度上，我们既可以观测到宇宙形成的初始时刻，也可以观察到电子在原子、分子内部以难以想象的超高速度运动。在空间维度上，大至宇宙中星云的排布，小至石墨烯中碳原子的排列，都可以被观测到。光还帮助我们深入了解自然界赖以存在的基础，从量子物理学中的奇怪现象到DNA分子的结构，不胜枚举。

纵观光学的发展历程，我们可以看到对光的新发现使新技术得以应用，这些新技术反过来又促使许多科学领域产生新的发现。从眼镜的发明，到如今最精确的原子钟，再到现代成像、测试、通信技术，光在每一个阶段都有着不同的应用，为我们的生活方式带来了革命性的变化。尽管光学是一门古老的学科，但是这个新发现与创新所形成的循环使得光学依旧散发着蓬勃的生命力。本书将首先介绍我们是如何一步一步形成光的现代理论，接着讨论我们是如何使用光，从而对世界产生新的认识，产生改变世界的新能力。

[1]　即太赫兹射线。