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01 光是什么 What is Light（第2页）

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（Isaa）（图3左图）与约翰·沃尔夫冈·冯·歌德（JohannWolfgahe）（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（JamesWatson）和弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）根据罗莎琳·富兰克林（RosalindFranklin）（图3右图）与莫里斯·威尔金斯（Mauris）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（MichaelFaraday）、汉斯·克里斯钦·奥斯特（HansOersted）、安德烈·马利·安培（AndréMarieAmpère）、查尔斯·奥古斯丁·德·库仑（CharlesAugustindeb）、亚历山德罗·伏特（AlessandroVolta）、乔治·欧姆（GeOhm）、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）和海因里希·赫兹（Heiz）。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（JosephvonFraunhofer）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。