光
电磁场中的纹波

说到底，什么是光？其实，光就是特定类型的电磁辐射，意思是“电磁场中的纹波”。

电磁场：带电荷还是不带电荷，这是个问题

我们还是先来解释电磁场吧：大家知道物体可以带电荷，要么带正电荷，要么带负电荷。带同种电荷的物体相互排斥，带异种电荷的物体相互吸引。所以带电的物体会感受到一种力，这种力来自宇宙中所有其他带电物体。这种力场（物理学家管这种东西叫“场”，因为它无处不在）被称为电场。你可以把它想成带电粒子的全球定位系统（GPS）——它能告诉这些粒子下一步去哪儿。

磁体——它们是怎么回事？

磁场则更难理解一点。物体也可以带磁荷，我们说这类物体是“磁化的”。但是磁荷并非只是一个数字，这点和电荷不一样。磁荷有强度，同时还有方向。你可以把它想象成连着磁化物体的一支小箭，箭头背离北极的方向，指向磁体的南极，而且箭身越长，磁体的力量越强。电荷会推动周围的带电粒子，磁体也一样。但电荷会对带电粒子施力只是因为它们带电，而磁体只在其他物体移动的时候才会对它们施力（所谓的洛伦兹力）。所以，只要质子完全静止不动，磁体就无法将它拉来推去。只有当质子开始朝某处移动时——也许是电场的缘故——磁体才能改变它的路径。

同一枚硬币的两面：电磁力

人们了解磁力已有上千年的历史，就从他们发现用某种特定金属制作的针总是指着同一个方向——北极开始。古希腊人也知道电场的存在。他们观察到，用琥珀在兽皮上摩擦会产生火花（我们现在管这个叫“放电”）。事实上，在古希腊语中，琥珀这个词是“ηλεκτρου”，发音为“ēlectron”（即英文的“电子”）。

但是，直到19世纪末，英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦才发现二者同源。它们只是同一种物理相互作用产生的两种不同现象罢了，我们今天管这种相互作用叫作“电磁场”。电力与磁力同宗同源、密不可分。让麦克斯韦名留青史的最著名的方程式，其实就表明了变化的电场会产生磁场——所以旋转的电荷会产生与磁体一样的效果。相对地，变化的磁场也能产生电场——所以旋转的磁体被用于各种发电站中，以推动电子通过电线（换言之：发电）。

所以说，要是你干扰了电场，就会导致磁场发生变化，反过来，这么做也会让电场发生变化——与初始干扰的方向相反。这也被称为“楞次定律”。这条规则也同样适用于磁场，所以电磁场有点像弹性胶皮：如果你戳它，可能的话，它会企图恢复最初的形状。但是它不会立即恢复如初，而是会花些时间，这也就是干扰会像胶皮上的波纹一样扩散并往复振动的原因。这些波浪似的波纹会以特定的速度向各个方向传播，它们被称为“电磁波”，而这种速度就是众所周知的光速。

电磁波谱：大小很重要

尽管这些波的速度始终如一，但它们让电磁场振动的频率可不尽相同。它们来回晃荡得越快（波长越短），储存的能量就越多。

最长的波是长波，其波长在1000米以上。其中最短的是我们在广播中用的波：AM波（调幅波）的范围是100米到1000米，FM波（调频波）的波长则大约是1米到10米。第二长的波是微波，其波长从1米到1毫米不等。你的微波炉用的那种波其实波长大约为12厘米。这种波的能量并不太大，但这恰巧是水分子中的量子跃迁需要的能量，所以说这类波是加热任何含水物质的理想选择。

波长大约在1微米到100微米的电磁波叫作红外线（IR）辐射。这种辐射是我们人类肉眼不可见的，不过我们能感觉到它的存在，这种感觉就是热。如果你把手伸向炉子或者熊熊燃烧的火堆，你就能感觉到“第一手”的红外辐射。

电磁波谱中，红外线的结束便是可见光的开始——波长在700纳米（红光）到约390纳米（深蓝光）之间的电磁辐射就是可见光，我们人类的肉眼可以看到这个波长区间的辐射。我们管它们叫光，包括你能在彩虹中看到的那些颜色——按照从红到蓝的顺序排列的颜色。

我们现在来讲讲能量更大的波。电磁波谱中，蓝光之后是紫外线（UV）辐射，其波长区间最低至约10纳米。再低就是X射线了，X射线的波长可低至10皮米（1米的万亿分之一）。尽管它在医学诊断中相当有用，但这种辐射能量巨大，过度使用会带来危险。

最后，波长不足一皮米的波都属于γ（伽马）射线。当恒星爆炸或重原子核衰变时，这种来自外层空间的极高能量辐射就会到达我们这里。

这么说它是一种波——真是这样吗？

从很早的时候起，自然哲学家就开始思考光的本质。在相当长一段时间里，人们都认为光是由非常非常微小的粒子组成的，这些粒子会从物体上飞到我们的眼睛里。然后，到了大约18世纪的时候，人们开始了解到光有类似于波的属性，因为自然哲学家们发现光可以像水波一样折射、像差和散射。因为麦克斯韦在19世纪的研究，人们终于明白了光是一种特定类型的电磁波。光的本质这个问题似乎得到了最终的答案，光是由小小的“光粒子”组成的这个想法终于被推翻了。不过，旧日里人们确实是这么认为的。麦克斯韦提出他的观点后，过了大概50年，一位年轻的科学家有了了不起的发现：他发现电磁波无法吸收随意量的少量能量。通常来说，电磁波携带的能量由两个因素来决定：一个是波长；另一个是波的强度，或者说它的亮度。

这位年轻的科学家名叫阿尔伯特·爱因斯坦，他发现电磁波不能任意吸收能量，能量再小都不行，而且，波中的能量要传递给其他系统，只能借助固定大小的“能量包”——量子。这些能量量子越大，波长越短。换言之，携带同等能量的电磁波有两种——一种非常亮，波长长；一种非常暗，波长短。而前者会发出许多小型能量包，后者发出的能量包虽然寥寥无几，但每一个都蕴含着充沛的能量。

这些“能量包”被称为光子。你可以把它们想象成组成光（或任何其他类型的电磁辐射）的极微小的粒子。这个发现让爱因斯坦获得了诺贝尔奖，这也是第一次有清晰的例子说明，一个物理系统可以同时像波和粒子一样运转。正因为如此，有时候人们会说爱因斯坦是量子理论的开创者之一。