【牛津通識課．宇宙篇】光：傳遞訊息的使者

第一章 光是什麼？（摘錄）

光，讓我們看到周圍的世界。藉由對光的感知，我們能直接接收外在世界的訊息，並且觀察到變化。事實上，光最重要、最了不起、最獨特的特質，或許就是承載以及傳遞訊息。

眼見為憑

視覺協助我們能在周遭環境中，確定自己的位置，並且幫助我們定義自身以外的東西，繼而建構出這世界的真實圖像。除此之外，視覺所激發出的想像力，其實也超越了視覺本身。英國畫家喬治．里奇蒙（George Richmond）的畫作〈光的創造〉（The Creation of Light，見圖1），具體描繪出光在我們精神中的核心地位。

從光的概念衍生的詞語，例如洞察力、明亮、清晰，都與人類特質以及物理世界有關。事實上，拉丁文有兩個描述光的詞──lux和lumen，分別指涉光物質與形而上的面向，而前者則是本書關注討論的重點。這番物理與詩意互相交織的結果，使得光在哲學、神學、心理學、藝與文學的領域，成為思考世界的比喻。因為這是幾乎每個人都有的直接經驗，光的物理學基礎與光對人類的啟發，使得光幾世紀以來都是哲學家與科學家熱衷研究的對象。

光賦予萬物生命。從字面上看，我們與地球之所以存在，全部仰賴這一連串生物與化學過程，而光則是其中不可或缺的角色。可以說，光構築我們對於周遭事物的感知。以生活經驗來看，也能說明光在這方面的重要性。我們利用光來照亮環境，無論天然的日光與月光，或人造的光。絕大多數的光源都使用電，但有時候我們也利用化學反應產生光，例如點燃蠟燭。不同特性的照明影響我們感知環境，不同光源在物理空間營造的「情緒」各有差異。

光還有一個非常重要的角色，就是促成生命本身。地球的能源主要來自太陽，而太陽傳輸能量的方式是光，包括我們可見的部分以及無法直接看見的部分。例如，躺在沙灘上或坐在花園裡享受日光浴：我們感受的溫暖，是某些「不可見的光」從太陽發射的結果。這只是光的生理效應的其中一個例子。

但是，我們的星球能夠維持生命的關鍵之一是一個超厲害的生化過程，利用陽光作為能量來源，把「無用」的分子──二氧化碳，轉化成「有用」的分子──氧氣。而其相反的過程──將氧氣轉化成二氧化碳，則是發生在生物呼吸的時候，也發生在我們為日常生活提供動力而燃燒東西時。

數百萬年來，因為有太陽的光，現在提供其他能源來源的生物圈和地質層才會形成。若無來自太陽的能量，煤礦或石油都不可能生成。而我們使用這些煤礦、石油資源的同時，太陽光影響地球的方式也隨之改變。部分來自太陽不可見的光──紫外光，依舊被地球和其大氣層吸收，但是其他不可見的部分──紅外光，被大氣層反射回去。透過同樣的機制，地球產生的紅外光會被困在大氣層下，導致星球表面溫度上升。

光使通訊可能

自從人類出現，圖像就是人類文明的一部分。長久以來，圖像對於我們如何認知世界，以及如何理解我們在其中的地位，有著無法估量的影響。光學技術的進步澈底變革影像。例如，我們能夠藉由底片或數位攝影的工具，輕易快速地捕捉畫面，因此得以記錄地方、人物和事件，成為廣為流傳的報導（今日更透過光學的網路），繼而帶來長久影響：例如領袖與工人的照片、令人讚嘆的自然世界、可怕的戰爭場景等。這些影像可能以意想不到的方式團結或分裂人們，例如號召人們採取行動、激發同情心，或者賦予共同經驗更深刻的觀察。試著回想一下，人類初次登上月球邁出第一步，那個場景多麼令人驚奇（見圖2）。而當我們能夠捕捉移動的影像後，敘述與記錄能力更上一層樓，眼界更加寬廣。你能想像沒有電視、電影和影片的生活嗎？

現在，圖像的產生與傳播如此普及，以致我們幾乎很少會去留意它。我們每天都使用自發光的顯示器：電視、電腦、平板，甚至智慧型手機。這些工具都以光為媒介，為你帶來訊息，也從你這裡接收訊息。幾乎所有長途電信都倚賴光束傳輸，沿著名為光纖的細長玻璃繩行進，連結你我家中的網路光纖寬頻服務就是以此為基礎。就連在電腦和電視裡，光也扮演重要角色。例如，封存在CD或DVD 的音樂、影像或圖片，必須透過光取得。一束移動的細小雷射光能「讀取」光碟片，並將上面編碼的資訊轉為電子訊號，再傳送到顯示螢幕。我們所有瀏覽、下載及寄出電子郵件等活動，都需要極多處理訊息的能力，而光是唯一可行的傳輸媒介。

現代社會的交通規範則利用光為工具，我們藉由光發出信號，調節車輛移動。從鄉鎮的街燈到飛機的降落燈，光都是導航必要的部分。光也在保養車輛時發揮作用，例如，雷射光能定位、對齊汽車的輪胎；此外，光控點火器則能驅動內燃機引擎。

在許多方面，光以不同方式承載的能量與訊息，成就了現代生活。

第一章 光是什麼？（摘錄）

光，讓我們看到周圍的世界。藉由對光的感知，我們能直接接收外在世界的訊息，並且觀察到變化。事實上，光最重要、最了不起、最獨特的特質，或許就是承載以及傳遞訊息。

眼見為憑

視覺協助我們能在周遭環境中，確定自己的位置，並且幫助我們定義自身以外的東西，繼而建構出這世界的真實圖像。除此之外，視覺所激發出的想像力，其實也超越了視覺本身。英國畫家喬治．里奇蒙（George Richmond）的畫作〈光的創造〉（The Creation of Light，見圖1），具體描繪出光在我們精神中的核心地位。

從光的概念...

光，讓我們看見事物。這句再顯然不過的話是個起點，帶領人們踏上一條漫長而迷人的旅程。人們在這趟旅程中展開超卓的視野，不僅一窺自然世界的運作，更從中發展出各種現代科學依賴的工具和方法，啟發無數理論與實驗。

光承載了關於我們周遭環境的訊息，從遙遠的恆星與星系，到我們體內的細胞，甚至是單個原子與分子。許多提升生活品質的技術也以光為基礎：網際網路由光驅動；世界上最精準的時鐘依賴光；最微小的物體，從一個個原子到活的生物細胞，都能透過光來觀察與操縱；而與光息息相關的圖像和顯示器更是無所不在。此外，光揭示了全然陌生的量子世界，激發我們對世界的想像。或許你會感到訝異，因為我們真正理解光是什麼，其實還不到一百年。甚至現在，我們仍然在這其中尋找新的見解。

這本書梳理了人們理解光是什麼、光能做什麼的思考脈絡。這是一個很棒的故事，從古代開始，對光有貢獻的人來自全世界：雅典的歐幾里德和巴格達的哈桑（Al-Hazen）提出光線的概念；美國洛杉磯的泰德．梅曼（Ted Maiman）和日本德島的中村修二開發新的雷射器；巴黎的菲涅爾（Fresnel）和倫敦的湯瑪斯．楊格（Thomas Young）則是研究光的波動；亞伯丁的詹姆斯．克拉克．馬克士威（James Clerk Maxwell）與柏林的海因里希．赫茲（Heinrich Hertz）從前人的這些想法中，發展出電磁場的概念；而最後，伯恩的亞伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）和劍橋的保羅．狄拉克（Paul Dirac）以全新的概念──量子場，解釋這些顯然互不相容的事實，證明光如何可能同時是粒子又是波。

每當對光有多一分的了解，就會帶來新應用，例如：基於對光的折射的理解，人類發明了矯正視力的眼鏡；你會發現，與光相關的技術，總是能在提出新的光學理論後就迅速被轉化應用。光對現代世界的影響力遠超乎我們想像，卻往往沒被察覺其重要性。為此，聯合國指定二○一五年為國際光之年，以頌揚光與因為光而實現的一切。

特此感謝Alex Walmsley和Latha Menon對本書初稿提出有用的指教，感謝同事們回答了許多具體技術的問題，以及提供本書圖表與插圖的人。愛因斯坦曾說：「事情應該盡可能簡單，但不是過於簡單。」若這本書中有任何違背上述原則的論述，或因此出現錯誤，必定是我的緣故。

光，讓我們看見事物。這句再顯然不過的話是個起點，帶領人們踏上一條漫長而迷人的旅程。人們在這趟旅程中展開超卓的視野，不僅一窺自然世界的運作，更從中發展出各種現代科學依賴的工具和方法，啟發無數理論與實驗。

光承載了關於我們周遭環境的訊息，從遙遠的恆星與星系，到我們體內的細胞，甚至是單個原子與分子。許多提升生活品質的技術也以光為基礎：網際網路由光驅動；世界上最精準的時鐘依賴光；最微小的物體，從一個個原子到活的生物細胞，都能透過光來觀察與操縱；而與光息息相關的圖像和顯示器更是無所不在。此外，光揭示了全...

引言
第一章：光是什麼？
第二章：光線
第三章：波
第四章：波粒二象性
第五章：光物質
第六章：光、空間、時間
第七章：光的先端研究
第八章：量子光學
第九章：天光
延伸閱讀

引言
第一章：光是什麼？
第二章：光線
第三章：波
第四章：波粒二象性
第五章：光物質
第六章：光、空間、時間
第七章：光的先端研究
第八章：量子光學
第九章：天光
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