前言

自古以来，光照亮了人类世界，让世人为之着迷。然而，只有在最近的四个世纪中，我们才逐渐揭开了光的秘密。直到距今不久的时期，我们才在科学技术的帮助下“驯服”了光，而这些现代科技彻底改变了我们的生活。至于可见光的表亲——微波，我们发现它也不过是一百多年前的事，而微波在现代通信、导航和医学成像等设备中无处不在。我们通过发明激光来“驯服”可见光也才刚刚六十年。激光射线的非凡特性让我们获得了根本性的发现，那些我年轻时难以想象的仪器、设备也被一台台地发明了出来。

在过去的半个世纪里，我有幸成为了参与这场知识大冒险的一份子。我想通过描述个人致力于光的研究的科学生涯，和读者们分享当一位研究者每次看到一个能够给世界带来意想不到的惊喜的新现象时所感受到的快乐。经过多年的研究，我和我的团队成功地将几个微波光子困在一个带有反射壁的盒子里，时间超过十分之一秒。通过让这些脆弱且难以捕捉的光粒子与由激光束激发的原子发生相互作用，我们在实验中观察到了光的波动行为和粒子行为，展示了量子世界的奇异特性。除了发现的乐趣之外，我们还兴奋地想到，这项工作有朝一日可能会带来新的应用，尽管现在还很难预测它们会是什么。事实上，每一个发现了新的有前景的对象的研究者，都经历过类似的快乐和兴奋。

在当下，人们对科学的需求比以往更加紧迫，一件很重要的事情是，让非专业的听众能够通过研究者的个人叙述理解他的动机、他的好奇心的来源以及偶然性在探索过程中所起到的作用。在这个过程中，惊喜永远不会缺席。同样重要的是，我们要明白，科学研究首先是知识的创造者，它丰富了几个世纪以来积累的文化遗产。与其他人相比，研究者们会以一个更高的视角来观察这个世界，用牛顿的名言来说，他们是坐在前辈巨人的肩膀上。基于这一有利位置，他们是让我们的文明所必需的知识和理性科学方法代代相传的传递者。

我会谈及科学，包括我自己从事的研究以及一些其他人的工作，后者丰富了我的视野并驱使我从更深层次去观察这个世界。借此，我希望与年轻的学生们和刚入行的研究者们分享我的研究热忱，让他们能够在这场持续更新的冒险中，继续科学的事业。我也希望这本书能够引发那些好奇的普通民众对这段历史的兴趣，这段历史曾经深刻地影响了我们看待世界的方式，并赋予了我们强大的行动手段和控制能力。我还想通过一己的见解，让已经知道这段历史大致轮廓的读者产生进一步的兴趣。我在本书中描述了今天我们对光的了解，以及我们是如何了解这些的，也谈到了我们仍然不知道的东西，以及我们的子孙后代需要厘清的东西。

对我而言，想要讨论我的研究，似乎就不得不将它置于横亘数世纪的学术探索的丰富历史背景之下。这段历史，除了光学之外，还包括了其他所有的知识流派。弄清楚“光是什么”这一问题，这当然是物理学的范畴，但这项研究也对其他科学，比如天文学、化学、生物学甚至生命科学都产生了深远的影响。探索我们的星球，确定它的大小和精确的形状，我们对光的理解的进步也在其中发挥了巨大的作用。因此，谈论光就意味着需要唤起所有知识领域。

越来越精确的测量在这个故事中起到了至关重要的作用。随着各种仪器的发明，对自然界的观察真正成为了科学，仪器让我们能够用数字来量化所研究的现象，并且以客观和可重复的方式、通过测量的数据来描述它们，首先是距离和时间间隔，然后是更微妙的量，如力、电荷和场。随着数学、几何学和代数学的共同发展，将这些数据与理论模型联系起来，在一个普适性的解释框架中统一了看起来明显不同的各种现象。想要呈现这段历史，意味着要说明科学知识是如何在仪器的进步和计算方法的改进之间的不断互动中一步步建立起来的。第一位切割透镜镜片并将其组合成放大镜的工匠，以及制造出第一只精确的摆钟的钟表匠，也都是这段历史中不可或缺的角色。正如发现复数或导数与积分概念的数学家一样。

向非专业的大众介绍科学并不是一件容易的事。利用图像和比喻看上去很有吸引力，但是我们要避免让它们产生误导作用。想要深刻理解“光是什么”，我们必须引入量子物理学的知识，这就有可能导致话题朝向神秘主义倾斜的风险。量子物理学之所以令人困惑，是因为我们不能直接用感官和我们对宏观世界的直觉去感知它，但它其实并不神秘。对于量子世界的发现者来说，量子物理以一种合乎逻辑的方式呈现了自己，并引发了一个严谨的数学理论，使我们能够精确地计算观察到的现象，而没有留下任何深奥含糊的空间。

毫无疑问，伽利略应该是最早尝试以教育的方式向广大观众介绍他的发现的科学家之一。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中，他向同时代的那些怀疑和困惑的人们展示了运动的相对性。摒弃“地球是静止的且位于宇宙的中心”这一观念，对于文艺复兴时期的人们来说，是非常困难的，就像现代人在描述原子和光子所在的不确定世界时，要从牛顿运动轨迹的经典形象中解放出来一样困难。伽利略当时所面临的风险是巨大的，因为反对宗教教条等同于异端，这是宗教裁判所所认定的最严重的罪行。如今，那些试图揭示其多种应用已经给我们的日常生活带来了革命性变化的物理学科中的反直觉概念的科学家们，显然不需要再面对17世纪物理科学家们同样的命运了。

然而，我意识到，在今天，当研究人员向非专业人员传递科学信息时，所带来的危险虽然不那么引人注目，但却是真实存在的。他或她的介绍可能太过于技术性或者太简单化了。在这本书中，我试图避免这些陷阱，以渐进的方式介绍光、相对论和量子物理学的概念，而不是使用方程式或形式系统。顺着几个世纪以来的思想和理论的谱系，我将逐一介绍那些困扰着伟大的科学前辈们的问题，我想，随着篇幅的逐渐推进，对于读者来说，它们会变得越来越熟悉，越来越容易被理解。

回顾历史，我们将回溯现代科学的起源，也让我有机会给大家介绍我心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦，我将提到那些家喻户晓的科学家所做的工作，以及其他一些相对不知名的人，他们也为这场伟大的冒险做出了贡献。本书并非科学史专家的客观专著。在描述这段曲折丰富的知识史时，我可能在一些细节上有误。事实上，这本书可以被看作我个人对几个世纪以来关于光的知识演变的看法，因为我曾经就是这样感受它的，而且它曾经指导和启发了我自己的研究。

在本书中，光的历史将与我个人的研究历程交织在一起。它分为长度大致相同的两个部分。其中，第一章和最后两章，涵盖了过去的五十年。它们描述了我个人的研究，以及我所见证的、同时代科学家们的发现。对物理学基础知识有一定了解，并对光科学和激光科学的现代发展感兴趣的读者，可以从这几章开始阅读。本书的中间部分，即第二章到第五章，通过介绍17～20世纪的光科学发展全景，呈现了其历史背景。我展示了光科学是如何演变发展并决定性地影响了我们的世界观的。这些章节还说明了，从现代科学诞生伊始，在纯粹的好奇心驱使下进行的基础研究与人类探索地球、发展商业和工业的活动之间就建立了深刻的联系。我希望这本书一方面能够引起非科学从业者们的兴趣，而另一方面，对于那些“专家”读者来说，能够让他们注意到这一段充满惊喜的荡气回肠的历史中，那些被忽视或遗忘的细节。

我在这本书中插入了很多图片，但为了让读者的阅读更加流畅，我没有在文中明确提到这些图片。这些插图和它们的说明可以看作补充资料，可单独查阅。此外，我尽可能地让各个章节的内容彼此独立，让它们主要集中在某些专题之上，比如光的历史的不同阶段，或者是我个人的研究经历。不过，从一章到下一章之间，有一些过渡性的提示文字，将整本书中讨论的思想和概念在不同的背景下联系起来。在历史方面，我的灵感来自大量文献，在附录中被列举在若干参考项下，其中包括我的研究小组的三部出版物。在本书的最后，还有一个按照字母顺序排序的人名索引，提到了在光学历史中占有一席之地的科学家们的名字，读者们可以很轻松地在维基百科上阅读他们的个人传记，这可能是对本书阅读的有益补充。