光的性質(zhì)是什么？是微波還是粒子？

光，使我們看到周圍的世界。我們通過對光的感知來收集物理世界的第一手信息，并觀察它們的變化。從這個角度來說，光的這種承載與傳遞信息的能力，也許就是它最重要也是最顯著的特征。

光賦予萬物生命。毫不夸張地說，光與我們?nèi)祟惿踔恋厍虻靡源嬖诘纳锓磻?yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)過程息息相關(guān)?？梢哉f，光塑造了我們對周圍事物的認知。從我們的日常經(jīng)驗出發(fā)，也能理解光的這種重要性。例如，我們用光來進行照明，既可以是太陽或者月亮發(fā)出的自然光，也可以是人造光。

要討論光是什么，可以從光非常常見的一些性質(zhì)入手：亮度、強度、顏色和溫度。這些可感知的特性都說明了光是一種物質(zhì)實體。但是，光到底是什么呢？ 我們可以用家用燈泡作為例子，先來談?wù)劰獾牧炼?。家用燈泡的功率通常有幾十瓦（功率的單位為瓦特，簡稱為瓦，用W表示，代表每秒所消耗的能量），具體數(shù)值根據(jù)燈泡型號不同而不同。一個50W的燈泡足以照亮整個房間，而汽車前照燈的功率一般略大一些，在60W到100W之間。足球場上用來照明的泛光燈的功率則更大，高達幾千瓦。

之后我會詳細討論光是如何由這些不同的光源產(chǎn)生的，但是通過功率的大小，我們已經(jīng)對光的亮度有一個具體的概念了。毋庸置疑，太陽是亮度最大的光源之一。它輻射的能量巨大，其功率超過了1025W。（在數(shù)字1后面跟著25個0?。┯捎谔柕牧炼仁侨绱酥?，即使它距離我們非常遙遠，我們?nèi)匀徊荒苤币曁枴?/p>

以上討論的光，與我們相距越遠看起來就越暗。因此，功率并不是衡量亮度的唯一指標。在某種程度上，亮度與我們從光源那里接收到的能量的比例有關(guān)。例如，一支激光筆的功率比燈泡的功率低很多，通常只有千分之幾瓦（不到10-2W或者10mW），但是它照射在屏幕上的時候看起來非常亮。這就引出了下一個與光的亮度有關(guān)的概念。 這個重要的概念就是光的強度（更準確的表達是“輻照度”，但是人們更熟悉的可能是“強度”這個術(shù)語），即接收器每單位面積上接收到的光的能量。

光的強度取決于光源的聚光能力。激光筆發(fā)射出的光看起來很亮，這是因為它的光束聚集在一個很小的點上，相比而言，太陽光則在一個很大的區(qū)域內(nèi)擴散。因此，即使太陽輸出的能量很大，但是它發(fā)出的光的強度卻不及一支激光筆。 描述光源聚光能力的基本特征被稱為“光源相干性”。這與光源傾向于向某個特定方向發(fā)射光的特性有關(guān)。比如，太陽和燈泡總是向各個方向輻射光，這就是為什么我們在地球的任何角落都能看到太陽，在房間的任何地方都可以看到燈泡。但是激光筆只朝一個方向發(fā)射光，即激光筆所指向的那個方向。如果激光沒有照射在某個表面，人們就無法看到激光，這是因為激光束具有明確的指向性。

牛頓所做的這個實驗享譽世界。該實驗的第一部分與笛卡兒（Descartes）以及其他人先前所做的相似：讓太陽光穿過一個位于深色屏幕上的小孔，僅有一小束光可以穿過小孔。讓這一小束光透過棱鏡并照射在屏幕上。這時，我們就會在屏幕上看到類似彩虹的顏色帶。牛頓認為這一系列顏色就是白光被分解后的顏色，且這些顏色具有普遍性。歌德被這一現(xiàn)象深深吸引，他從當(dāng)?shù)氐囊粋€貴族那里借來一些棱鏡并自己動手做起了實驗。他很快便得出結(jié)論，認為牛頓的實驗完全是錯誤的，這是因為歌德自己發(fā)現(xiàn)了一套完全不同的顏色。

在歌德的實驗中，他透過棱鏡去看窗框。他和牛頓的做法完全相反，他在一片明亮的背景中觀察一條黑線，因此，他看到的顏色和牛頓觀察到的完全不同。相比于牛頓觀察到的紅色、綠色和藍色，歌德觀察到的則是青色、品紅色和黃色。這一套顏色是牛頓所觀察到的色譜的補色。將牛頓看到的顏色合在一起得到的是白色，將歌德看到的顏色合在一起得到的則是黑色。 歌德認為，顏色是我們感知到的一種事物，牛頓卻認為這是光的一種固有特性。他們的觀點其實都是正確的。今天，我們已經(jīng)將顏色的物理屬性與它的生理學(xué)特性（對顏色的感覺）分離開來了。

個體對顏色的反應(yīng)是各不相同的。事實上，基于這個原理，彩光甚至可以用來進行醫(yī)學(xué)治療。從藝術(shù)的角度來看，我們的意識脫胎于對某種特定顏色光的感知，這種解讀十分重要，可以簡單地理解成感知顏色是非常重要的。然而，從物理學(xué)角度來看，我們可以明確地為“顏色”這一標簽賦予一個基本物理特性——頻率，至少在我們進入量子光學(xué)領(lǐng)域之前可以這么做。 光的范圍遠遠超出了可見光譜的范圍。從藍色可見光的一端向不可見光區(qū)域擴展，會依次經(jīng)過紫外線、遠紫外線譜區(qū)，接著延伸至X射線、γ射線譜區(qū)。從紅色可見光的一端向反方向擴展，則會依次經(jīng)過紅外線、微波、無線電波直至T射線［1］譜區(qū)。

要“看到”它們，僅僅用肉眼是不夠的，我們還需要借助其他各式各樣的工具，但至少我們已經(jīng)知道這些“顏色”的光是存在的。例如，我們之所以能夠感受到太陽的溫度，是由于我們的皮膚吸收了太陽輻射出來的紅外線；低頻微波常常被用于手機通信，還可以通過加熱食物中的水分來烹飪食物。波長較短的不可見光也很常見，例如太陽輻射出的紫外線會導(dǎo)致皮膚曬傷，而X射線常常被用于醫(yī)學(xué)成像。 X射線也被應(yīng)用在很多非醫(yī)療領(lǐng)域，例如可以利用X射線衍射圖揭示分子或者固體的結(jié)構(gòu)。將X射線照射到分子或者固體中時，如果其構(gòu)成原子是規(guī)則排列的，那么經(jīng)過這些原子散射出來的X射線會形成一定的圖案。

即使原子之間的距離是人類頭發(fā)絲直徑的萬分之一，我們也可以從該圖案中推斷出原子的排列結(jié)構(gòu)。最著名的例子也許就是半個多世紀前，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）根據(jù)羅莎琳·富蘭克林（Rosalind Franklin）（圖3右圖）與莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）拍到的X射線衍射圖確定了DNA的分子結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)讓我們了解了分子的復(fù)制機制，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了巨大的變革。