光：從微至宏（一）

光是最常见的物理现象之一，和人的视觉直接相关，是人在人这一层面上可以感知物体形状、颜色等性质的主要原因。光在日常生活中无处不在，天空中的太阳、月亮、星星，地上的火焰、灯、烧红的铁、萤火虫等等都可以通过眼睛直接观察到。光具有能量，尤其阳光是地球上包括人在内的生命赖以生存的主要能量来源。

图1 太阳光穿过石缝。来源：公有领域

人通过眼睛能直接看到的光极其有限，“眼见为实”在现代科学中近乎谬论。从无线电(radio)延伸到伽马射线(gamma ray)，不同类型的光反映出地球及宇宙中发生的各种物理过程。眼睛的分辨能力也有限制，无法识别微观世界中的各种结构和粒子，亦或是间隔遥远的宇宙天体。

光的速度在物理学中有着特殊的地位，常被理解为极限速度。其实现代物理学理论上允许超光速现象，实验中也已发现端倪。比如量子纠缠现象(quantum entanglement)中，信息的传递速度可以超过光速。但要进一步探索光的本质，还需打破实证科学的窠臼。

图2 目前已知的光的主要类型以及可见光谱。来源：公有领域

1. 可见光

顾名思义，可见光就是人肉眼能可以看到的光。“光”是会意字，其甲骨文是一个跪着的人上方有一把火。《说文解字》释“光”字作“明也，从火在人上，光明意也”。光学的英文Optics源自希腊语ὀπτική，意为“看见”。

古人很早就认识到，光的本质是一种能量，而且和构成世界的基本元素有关。例如古希腊学者认为光是四元素中的火元素的表现，火元素的能量高速流动形成了光。中国的五行学说也常把火和光联系在一起，《墨子》即有“目以火见”的说法。各民族的传说中普遍认为光是神圣的，不同信仰中也都记载着神佛是光芒万丈的。但神佛和天国世界的光不在人所生存的空间，只有通过修炼得到天目和相关特异功能才可以看到。

1.1 可见光谱

现代物理学认为光是一种电磁波。按照电磁波的波长、频率或者能量可以把光排列成光谱。可见光（赤橙黄绿青蓝紫七种颜色）的光谱范围大约在380纳米（紫光）到760纳米（红光）之间，波长差距只有两倍。而已知的电磁波谱从无线电波到伽马射线，波长横跨三十多个数量级（即1后面30个零，或一百万亿亿亿倍），其中可见光谱范围几乎可以忽略不计。

人们一般觉得太阳和白炽灯等光源发出的白光，是由七种颜色的光混合而成。其实这种白光的光谱范围远远超过可见光。常见的燃烧现象产生的红外线(infrared)甚至比可见光更多，而眼睛却看不见。

1.2 视觉的形成

视觉是人对光的主观感受，不完全属于物理学范畴。光线通过瞳孔(pupil)、晶状体(lens)、玻璃体(Vitreous body)等结构，在眼睛后方的视网膜(retina)成像。视网膜上的视杆细胞(rod cell)和视锥细胞(cone cell)感受到了光线的刺激，就会把刺激通过视神经传递给大脑，从而产生视觉。这是一个由人体多个组织结构和人的意识配合产生的复杂感受。

图3 眼睛的结构。来源：公有领域

视杆细胞对光非常敏感，一个光子就能产生刺激，是夜间视觉的主要原因。其对绿光最敏感，对红光和紫光则较为迟钝。视杆细胞只有一种视蛋白(opsin)，很难形成色觉。虽然视杆细胞对光子很敏感，但是传递视觉信号很慢，很难分辨快速变化的图像。视锥细胞则不同，有三种视蛋白，对颜色很敏感。三种色素分别在红黄绿波段（约560到580纳米），绿色波段（约530到545纳米），和蓝紫色波段（约420到440纳米）最为敏感，大致对应色彩学中的三原色。但是视锥细胞需要大量光子才能产生刺激，所以在暗处很难发挥作用。

由于视杆细胞和视锥细胞的局限，眼睛很容易产生一些错觉。很多魔术表演就是利用眼睛很难识别快速变化的事物，通过技巧和道具转移观众的注意力，表演凭空变出物体。色差与周围的物体分布也会诱导眼睛形成错觉，从而对目标物体的形状、颜色和距离做出错误的判断。因此即使在可见光范围内眼睛也不足以准确认识事物的真实表现。

其实人体并非不能接收其它波段的光，只是一般人识别不了。例如足够亮度的红外线照射到皮肤上就可以产生炽热的感觉，虽然一般情况下皮肤不能识别光；紫外线(ultraviolet)可以进入并伤害眼睛导致白内障(cataract)，而眼睛却不能识别紫外线。现代物理学已经知道这些不可见光可以反应物体在微观下的一些物理过程。因此即是一个物体可以发出或反射可见光从而被眼睛识别它的存在，眼睛也不能看到它的微观状态下的真实表现。

人的视觉最终是在大脑中形成的，而非眼睛独立的作用。法国科学家勒内·笛卡尔(René Descartes)认为松果体是人形成知觉的原因，他称松果体为灵魂之座，是精神与肉体的结合点。松果体自身也具备感光能力，不需要依赖眼睛。从这个角度看修炼界所说的天目的特异功能也就不难理解。实质上就是通过修炼使得人不依赖肉眼的视杆细胞、视锥细胞、和视神经，直接通过松果体就可以识别光，这就是天目。修炼还可以让人身体的任何部位都能识别光。天目功能越强，能看到的不同形式不同能量的光就越多，能力强的也就可以通过天目看到神佛和天国世界了。

1.3 色彩学

希腊哲学家亚里士多德(Ἀριστοτέλης)认为色觉是眼睛和物体之间的某种介质在太阳光作用下产生的效应。英国科学家艾萨克·牛顿爵士(Sir Isaac Newton，下文作牛顿)首次把太阳的白光分解成赤橙黄绿青蓝紫七种颜色的光。单色光照射到物体上就只能显现出单色光的颜色，或者被物体吸收而显出黑色。所以物体的形状和颜色是其自身的性质，但是眼睛看到的颜色却受光源和物体相互作用的影响，不一定能看到物体的真实表现。

牛顿使用色环来描述七种颜色的光，他认为这七种颜色和音乐中的七个音阶有对应关系。实质上人的听觉和其它感觉确实都和视觉一样，被限制在一个很小的范围中。英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell，下文作麦克斯韦)提出了红绿蓝三原色的说法，这三种颜色可以混合形成所有眼睛可以看到的颜色，也和视锥细胞的视蛋白的感知波段相吻合。美术中则把红黄蓝称为三原色。德国作家及科学家约翰·沃尔夫冈·冯·歌德(Johann Wolfgang Goethe, ab 1782 von Goethe)提出颜色和人的主观感受有关，并详细描述了补色、色差等色彩学概念。

图4 三棱镜的色散作用。来源：公有领域

1.4 几何光学

远古时期的人们就已经会利用包括反射折射等各种光学现象，如1850年于伊拉克古城尼姆鲁德(Nimrud)出土的尼姆鲁德透镜即证明在3000年前古埃及人和美索不达米亚人就会打磨光学透镜。而《周礼》记载西周有“司烜氏”官职，负责在祭祀仪式中使用青铜镜反射太阳光取火，距今也有3000年左右历史。

希腊数学家欧几里得(Εὐκλείδης)发展出了几何光学。这是一种唯象理论，用几何描述光的直线传播、反射、和折射现象，并建立了透视法。这套理论通过几何模型追踪光源的光线和眼睛的视线，当视线碰到物体时，根据碰到的形状位置以及光源的位置，即可确定物体的形状和阴影的位置。在此基础上，希腊学者托勒密(Πτολεμαῖος)进一步完善了反射理论，可以分析不同形状镜面的反射，而且也对折射现象进行了一些描述。

几何光学对后世有深远影响。这套理论对物体的大小比例位置颜色等等都给出了准确的描述，是绘画雕塑等行业把握物体的比例以及阴影的位置等等的关键理论。西方文艺复兴时期美术作品的成熟就属于透视法的应用之一。几何光学的成熟也产生了很多光学相关的应用，包括眼镜、望远镜、显微镜等等。

中国古代也有很多类似的应用。例如对潜望镜原理的最早记载就是来自于汉代初期的《淮南万毕术》：“取大镜高悬，置水盆于下，则见四邻矣。”

图5 尼姆鲁德透镜。来源：公有领域

图6 光沿直线传播、遇到其它物体表面产生反射和折射。来源：公有领域

2. 不可见光

人的肉眼不能直接感知的光统称不可见光。现代科学对不可见光了解还有很多不足，只知道有些动物可以感知一些人类看不见的事物，以及人体科学研究发现的一些特异功能可以看到肉眼不可见的事物。地球的大气层也可以吸收除了可见光和一部分无线电波段的光，进一步限制人对光的认识。现代科学发现不同形式的不可见光都可以反映地球上和宇宙中不同的自然现象，尤其波长最长的无线电波和波长最短的伽马射线都能反映已知最宏观和最微观的物理过程。

即使现代技术已经能探测横跨三十多个数量级的光谱，这还不足以认识宇宙的真相。科学家还需要借助粒子加速器和宇宙射线来认识微观粒子以及宇宙中的高能现象，近年来发展的引力波和中微子观测也发现了很多以前无法探知的现象。

古人不受“眼见为实”的框框限制，敢于证实肉眼看不到的事物。一些修炼有素的人可以看到很多一般人看不到的宇宙，人体真相。释迦牟尼提出其所“看”到的宇宙“其大无外，其小无内”，说明了物质的微观和宏观是无止境的。道家修炼者所涉及的太极、阴阳、五行等学说也在不同角度上认识自然。中医掌握了现代医学都无法解释的人体经络。这些一般人看不到摸不着的东西古人都能深入研究，并且走出了和实证科学截然不同的发展道路。有意思的是，现在最前沿的研究也在突破科学思维定式，尝试研究现有手段无法直接证实的事物，例如弦理论、假想粒子、暗物质、暗能量等等。这说明现在顶尖的科学家也认识到走回传统、突破现代实证科学限制才能进一步认识宇宙的真实情况。

2.1 无线电波

无线电波(radio)，也叫射频电波或简称射电，是日常生活中最常接触的不可见光。它一般是指波长在1毫米以上的光，对应频率是300吉赫兹以下。目前尚不清楚人类或任何其它生物有已知的直接探测无线电波的能力。但是，地球范围内的一些高能现象，如闪电等等，都可以发出无线电波。而在宇宙中，大部分高能天体也可以发出无线电波。因此，自然界的无线电波通常都和高能现象有关。宇宙微波背景辐射也是实证科学已知最大尺度的宇宙现象之一。

无线电波也可以人工产生。1887年德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz，下文作赫兹)根据麦克斯韦的电磁波理论首次证实了无线电波的存在。赫兹在一个电路中加入了线圈天线产生无线电波，然后在一定距离的位置设置了另一个接收线圈。接收线圈连接了一个电火花装置，如果无线电波可以传播到接收线圈，则会产生电火花。利用该装置，赫兹测定了接收到的无线电波的强度和速度等物理量，确实符合麦克斯韦的理论预言。

德国科学家卡尔·费迪南德·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)和意大利科学家古列尔莫·乔瓦尼·马里亚·马可尼(Guglielmo Giovanni Maria Marconi)在赫兹实验基础上发明了无线电报，利用发射器产生无线电波用于无线通讯。发射器可以改变从电源传来的交流电的频率、振幅、相位等信息，再通过共振天线把调整后的电流信号以电磁波形式发送出去，即可实现无线通讯。因此贡献两人获得1909年诺贝尔物理学奖。大气层可以吸收除了波长大约几毫米到一百米左右的其它无线电波，所以通讯用无线电波必须在上述波长范围内。实际上商用无线电波频谱很窄，大部分无线电波段都没有实用。

图7 赫兹的无线电实验示意图。来源：公有领域

2.2 红外线

红外线(infrared)是波长介于无线电波和可见光之间的光，波长范围为760纳米至1毫米，对应频率为300吉赫兹430太赫兹。室温下的物体都会发出红外线。实际上，除了火焰和闪电等地球表面的现象可以发出可见光，地球范围内几乎一切物体都在红外线波段发光。太阳发出的光大约一半的能量在红外线波段。

红外线是1800年由英国天文学家弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士(Frederick William Herschel)首次发现的。他发现使用棱镜把太阳光分成由红到紫的不同颜色后，可以用温度计测量不同颜色的光的温度。但是，在红色光以外的部分，温度计也能测到温度，说明存在肉眼看不见的红外线。

现代已经可以使用感应器探测红外线，例如热成像和夜视技术。地球表面物体和云层可以吸收一部分可见光，再以红外线形式发射到大气层中。而大气层可以吸收大量红外线，又以红外线形式发射回到地面。这样可以形成温室效应，防止地表在夜间温度过低导致人类和其它生命无法生存。宇宙中很多天体也可以发出红外线，并表现出和可见光不一样的性质和现象。

图8 一只狗的红外线照片。来源：公有领域

2.3 紫外线

紫外线(ultraviolet)是波长介于可见光与X射线之间的光，波长范围是10纳米至400纳米，对应频率为750太赫兹至30拍赫兹。日常生活中最主要的紫外线光源就是太阳。其中波长较长的紫外线（320纳米至400纳米）可以穿透大气层，而更短波长的紫外线会被臭氧层阻挡。

图9 哈勃望远镜拍摄的紫外线木星极光。来源：公有领域

紫外线是1801年由德国化学家约翰·威廉·瑞特(Johann Wilhelm Ritter，下文作瑞特)发现的。紫色光照射氯化银浸泡过的纸会产生还原反应分理出细小的银颗粒，从而使纸变黑。而瑞特发现从太阳光分离出来的紫色光以外还有看不见的光可以更快的把纸变黑，说明这种不可见光才是分离银原子的原因。因此瑞特把紫外线称为还原射线，后来也被叫作化学射线。

紫外线对人体以及很多地表生命会造成伤害。紫外线可以通过破坏脱氧核糖核酸(DNA)从而有效杀灭微生物，广泛用于医疗卫生领域。同样紫外线也可以伤害眼睛和皮肤，造成白内障或癌变等等。不过适量的紫外线照射也可以产生维生素D，对人体健康有益。很多飞虫对紫外线非常敏感，可以用于捕杀蚊虫。天文学中也利用紫外线观察黑洞吞噬恒星等天文现象。

2.4 X射线

X射线(X ray)是比紫外线能量更高的光，波长范围在0.01纳米至10纳米之间。已知最早的X射线现象是1785年英国统计学家威廉·摩根(William Morgan)发现的，他记录在真空玻璃管中通过电流可以看到一种荧光，而这种荧光后来被发现是由于X射线造成的。德国物理学家威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen，下文作伦琴)于1895年首次确认了X射线存在，因此X射线也被称为伦琴射线。由于这种不可见的射线尚不为人所知，伦琴将其命名为X射线，并因此发现获得首届诺贝尔物理学奖。

X射线一经发现就被用于医学成像。伦琴本人就是第一位拍摄X射线透视透视图的人。 X射线可以透视人体，探测体内病变，如骨骼坏死、肺炎、肠道病变、结石等等都可以被X射线拍照看到。而电脑断层扫描(CT)则是利用多个角度X射线拍照再辅以计算机模拟计算达到对人体内部的三维成像技术。但是大量X射线对人体会有强烈的杀伤作用，可引起急性放射病，长期受X射线辐射会引起慢性放射病或致癌。

X射线一般是高能粒子或高能天体物理过程的特征。例如高能电子撞击原子中的电子就会把被撞击的电子轰出其所在的能级，产生的空缺则被高能级的电子向下跃迁补充，产生特征X射线。而带电粒子和原子或原子核撞击造成速度骤减也会产生制动辐射(bremstraulung)，发出X射线。宇宙中的超新星爆发、中子星或黑洞的吸积过程、黑洞吞噬恒星、星系对撞等等剧烈现象通常都伴随X射线。因此，相比于可见光波段，X射线下观测的宇宙显得非常动荡。

图10 伦琴拍摄的首张X光照片。来源：公有领域

2.5 伽马射线

伽马射线(gamma ray)是实证科学已知的能量最高的光。伽马射线和X射线的界限比较模糊，一般认为波长短于0.01纳米的光都是伽马射线。伽马射线最早是1900年由法国化学家保罗·于尔里克·维拉尔(Paul Ulrich Villard，下文作维拉尔)在研究镭元素的辐射时发现的，是原子衰变时发出的一种辐射。维拉尔研究含有镭元素的物质的辐射，用薄铅版挡住其中的α射线，并用磁场偏转了其中的β射线，但还是接收到了一种未知射线。这种原子衰变产生的辐射后来被称为伽马射线。

伽马射线比X射线有更强的穿透力，甚至可以穿透很厚的铅版。伽马射线和物质相互作用可以造成光电效应、康普顿散射、光致蜕变、核裂变等等效应，对人体和生物的杀伤力更强。伽马射线可以用于杀菌消毒，也可以用于医疗，例如使用伽马刀切除肿瘤。

宇宙中目前人类已知的能量最高的天体物理过程都与伽马射线有关，包括巨型恒星解体或中子星对撞造成的伽马射线暴、黑洞大量吞噬周围物质形成等离子体喷流造成的类星体、超新星爆炸产生的冲击波、超高能宇宙射线和中微子等等一般都会产生伽马射线。目前伽马射线观测已经看到宇宙中许多天体解体重组更新等巨变现象。

图11 伽马射线暴，已知宇宙中能量最高的天体解体现象。来源：公有领域