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01 光是什么 What is Light（第1页）

01光是什么WhatisLight?

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（GeeRid）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lu，x一个是lum。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（rong）在月球上为登月同伴埃德温·奥尔德林（EdwinAldrin）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？