第1章
了不起的光

如果上帝真的说过“要有光”，那就不会只是意思意思而已。宇宙中存在大量的光——每一个亚原子粒子都相当于十亿个光子。在宇宙的任何个体（包括组成原子的物质）中，光子都占到了99.999 999 9%。宇宙的的确确是由光组成的，其中不仅包括日常的可见光，还有绝大多数我们看不见的光。

光是一种不可思议的东西。千百年以来，不同文化背景的伟大思想家都沉迷于对它的研究。也许是运气使然，古希腊人率先发现了可见光的一个关键特点：它不是独立于观察者而存在的。现在，物理学告诉我们，光来自相互垂直的磁场和电场。我们的眼睛根本看不到电场和磁场，所以光在本质上就是不可见的。

我们之所以能看到夕阳橘色的余晖，并不是因为我们直接感知了光，而是因为进入我们眼中的电磁波刺激了视网膜和大脑中数十亿个神经元，激发了复杂的神经结构，让我们感知到了橘色。因此，一套完整的生理过程直接关系到光的亮度和颜色。

当然，古希腊人对人脑的结构一无所知，但他们仍然发现光是一种主观感受，并非独立于观察者而存在——能想到这一点，要么是希腊人的洞察力惊人，要么就是他们运气特别好。但是，他们弄错了光的传播方向。他们只知道光速极快，但是没有想到光是从光源进入人眼的。相反，他们认为光是由瞳孔向外传播的。一千多年来，人们普遍认为光是从眼睛里发出来的。即便如此，当时还是有一些标新立异的人推测，视觉是“眼睛射线”和光源发出的物质相互作用的结果。

罗马经典思想家卢克莱修（Lucretius）对光的解释最接近本质。公元前1世纪，他在《物性论》（ On the Nature of Things ）中写道：“太阳的光和热是由微小的原子组成的，这些原子一经发射，便会立即穿过大气。”

卢克莱修认为光是粒子，而且使用了“立即”这样意味深长的描述，这说明他认为光的速度非常快。这些看法后来也得到了艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的支持。但是，无论科学家认为光的速度有多快，在接下来的几个世纪里，光的产生仍旧被误以为是源于人眼的现象。

在这个问题上，第一个真正意义上的突破来自数学家和天文学家阿尔哈曾（Alhazen），他的全名是阿布·阿里·哈桑·伊本·哈桑·伊本·海瑟姆（Abu Ali al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Haytham）。他生活在埃及，正赶上阿拉伯科学的黄金时代。大约在1020年，全世界大多数地区还处于缺乏文明的黑暗时代，阿尔哈曾已经发现视觉只能随着进入眼睛的光而产生，眼睛本身不会发出任何光。他用暗盒证实了自己的想法。这种装置能将全彩的自然影像播放在墙上，前来观看的人为之震惊，忍不住尖叫称奇。但是，阿尔哈曾的想法更加超前。他认为，光是由太阳中做直线运动的微小粒子流组成的，它会被各种物体反射。现在这听起来或许没什么了不起，但是阿尔哈曾比其他人早了六个世纪得出这个结论。

文艺复兴重新引发了“什么是光”的争论，但这场争论像一场乱扔食物的大战，非常混乱。在17世纪，牛顿和天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）都认为光是粒子流，而罗伯特·胡克（Robert Hooke）、克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens），以及不久之后加入的莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）等人，则坚持认为光是一种波。它究竟是一种什么样的波呢？他们认为一定有某种物质引起了光的波动。于是，这些文艺复兴时期的科学家得出结论，整个空间被某种物质（后被称为以太）填得满满的，这种看不见的物质会让磁和电的能量运动。

有一个明显的事实令许多支持波动说的人在当时产生了动摇，转而支持牛顿的粒子说——当阳光经过物体清晰的边缘（例如墙壁）时，会在附近投射出一个界线分明的影子。这一点很好地证明了光是做直线运动的粒子。如果光是一种波，那么它就会像穿过堤岸的波浪一样散开，发生衍射。在支持粒子说的人面前，明摆着的影子外加牛顿的名声使得支持波动说的人看上去很蠢。

最终，粒子说与波动说之间的论战出现了神奇的转机，好像智慧的所罗门王统领了万物，两种说法都被他接纳了。这一重大突破要归功于苏格兰物理学家和数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），他在1865年宣布，光是一种自我维持的电磁波，其中电场和磁场相互垂直振荡。两种类型的波相互激励，使得光能够持续传播。从那时起，科学界才认定光是一种电磁现象。

但是，光又是从哪里来的呢？1896年，荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）发现了一个奇怪的现象：在强磁场下，光会一分为二。这就说明，宇宙中一切光都源自一种带负电荷的未知微小粒子的快速运动。一年后，他得出了这个很有先见之明的惊人结论，随后，第一个亚原子粒子——电子——被发现了。电子运动确实是产生光的首要途径。由于在找到确凿证据前推测出了电子的存在，洛伦兹于1902年荣获诺贝尔奖。

抛开类别不谈，光是如何产生的呢？在受热，被电流快速冲刷，与偏移的电子碰撞等情况下，原子会受到能量的冲击，剧烈地振动起来。额外能量激发了原子中的电子，它们就像被弄疼了一般，“大叫着”跃迁到距离原子核更远的轨道上。可是它们并不喜欢那里，于是一转眼又回到距离原子核更近的轨道上。在这一过程中，原子会释放出一点点能量。能量在任何情况下都不会消失，它只会转化成另一种形式。于是，就像施了魔法一样，这里冒出了一点亮光（光子），即刻以名不虚传的超高速度溜走。这就是光诞生的唯一途径。只要电子向靠近原子核的方向发生跃迁，就会产生光。没错，就这么简单。

所以，光可以被看作电磁波，也可以被看作一种没有重量的粒子——光子。受到阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的启发，我们可以把光子想象成一颗小子弹，一个没有质量，没有占位，能够永不停歇地运动下去的小点。如今，思考这类问题的大多数人（我们这群科学迷）发现，光从点A向点B运动时，更适合被当作一种波，而当它撞上障碍物停止传播时，更适合被当作粒子。但是，你既可以把光称为光子，也可以称之为波，二者皆可。

我们在20世纪迎来了量子理论。除了证明电子这类粒子可以表现出波的特性之外，它还揭示了不同寻常的现象：当观察者利用实验装置确定光子或者亚原子粒子（例如电子）的位置时，它们总是表现出粒子的性质，并且只具备粒子的特征。例如，它们会接连穿过一个个小孔，但不能同时通过两个小孔。但是，当不再有观察者测量每个光子的确切位置时，它们又会像波一样，同时穿过壁垒上的两个小孔，并在小孔之外的探测器上形成干涉图样——这一点只有波才能够办到。

奇怪之处在于，观察者及其大脑中的信息决定了光到底是波还是粒子。其他类似的粒子也是如此。我们看到的结果取决于观察的方式和所获得的信息。现在，大多数物理学家认为，应该利用人类的意识抹去光子或者电子“波的效果”，好让它们作为粒子在物理学研究中占据一席之地，否则，它们只是不伦不类的理论对象。

就在一个世纪以前，不仅是局域实在论的科学思想，甚至就连常识也支持这一点——所有物体（包括原子和光子）都独立于我们的观察而存在。但是，这已经被更新的观点所取代，观测本身正是光子和电子存在的关键。这么一想其实还挺诡异的。

如果观察者是一只猫，那么电子会变成实实在在的粒子而不再具有波动性吗？如果没有人类，光就永远只是波而不可能是离散的光子吗？对于这两个问题，我们的回答分别是“天晓得”和“是的”，但是很显然，这样的假设非常奇特 。

让我们把这个问题再讲清楚些。如果一个世纪前，我们就可以用测量光入射方向的仪器探测到一点点光（甚至一个粒子），那么我们可能会自信地绘制出它之前的路径。但现在我们会说，在观测到它之前，它并没有路径。它没有作为光子、电子或任何其他物质而实际存在。相反，只有被观察到的时候它才存在。观察结果建立事实，没有什么是能够提前确定的。正如已故物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）说过的：“只有被观察到的现象才是真正的现象。”

这就引出了下一章的问题：为什么人眼能够观察的是“这些光”而不是“那些光”呢？ 9D7iTSlUc/dbLIWcPyMozbOVEagMU52NtqJ3DtxCHT/p1/G3XAnU1AvZI32OqpCx