光的性质是什么？是微波还是粒子？

光，使我们看到周围的世界。我们通过对光的感知来收集物理世界的第一手信息，并观察它们的变化。从这个角度来说，光的这种承载与传递信息的能力，也许就是它最重要也是最显著的特征。

光赋予万物生命。毫不夸张地说，光与我们人类甚至地球得以存在的生物反应过程和化学反应过程息息相关。可以说，光塑造了我们对周围事物的认知。从我们的日常经验出发，也能理解光的这种重要性。例如，我们用光来进行照明，既可以是太阳或者月亮发出的自然光，也可以是人造光。

要讨论光是什么，可以从光非常常见的一些性质入手：亮度、强度、颜色和温度。这些可感知的特性都说明了光是一种物质实体。但是，光到底是什么呢？ 我们可以用家用灯泡作为例子，先来谈谈光的亮度。家用灯泡的功率通常有几十瓦（功率的单位为瓦特，简称为瓦，用W表示，代表每秒所消耗的能量），具体数值根据灯泡型号不同而不同。一个50W的灯泡足以照亮整个房间，而汽车前照灯的功率一般略大一些，在60W到100W之间。足球场上用来照明的泛光灯的功率则更大，高达几千瓦。

之后我会详细讨论光是如何由这些不同的光源产生的，但是通过功率的大小，我们已经对光的亮度有一个具体的概念了。毋庸置疑，太阳是亮度最大的光源之一。它辐射的能量巨大，其功率超过了1025W。（在数字1后面跟着25个0！）由于太阳的亮度是如此之大，即使它距离我们非常遥远，我们仍然不能直视太阳。

以上讨论的光，与我们相距越远看起来就越暗。因此，功率并不是衡量亮度的唯一指标。在某种程度上，亮度与我们从光源那里接收到的能量的比例有关。例如，一支激光笔的功率比灯泡的功率低很多，通常只有千分之几瓦（不到10-2W或者10mW），但是它照射在屏幕上的时候看起来非常亮。这就引出了下一个与光的亮度有关的概念。 这个重要的概念就是光的强度（更准确的表达是“辐照度”，但是人们更熟悉的可能是“强度”这个术语），即接收器每单位面积上接收到的光的能量。

光的强度取决于光源的聚光能力。激光笔发射出的光看起来很亮，这是因为它的光束聚集在一个很小的点上，相比而言，太阳光则在一个很大的区域内扩散。因此，即使太阳输出的能量很大，但是它发出的光的强度却不及一支激光笔。 描述光源聚光能力的基本特征被称为“光源相干性”。这与光源倾向于向某个特定方向发射光的特性有关。比如，太阳和灯泡总是向各个方向辐射光，这就是为什么我们在地球的任何角落都能看到太阳，在房间的任何地方都可以看到灯泡。但是激光笔只朝一个方向发射光，即激光笔所指向的那个方向。如果激光没有照射在某个表面，人们就无法看到激光，这是因为激光束具有明确的指向性。

牛顿所做的这个实验享誉世界。该实验的第一部分与笛卡儿（Descartes）以及其他人先前所做的相似：让太阳光穿过一个位于深色屏幕上的小孔，仅有一小束光可以穿过小孔。让这一小束光透过棱镜并照射在屏幕上。这时，我们就会在屏幕上看到类似彩虹的颜色带。牛顿认为这一系列颜色就是白光被分解后的颜色，且这些颜色具有普遍性。歌德被这一现象深深吸引，他从当地的一个贵族那里借来一些棱镜并自己动手做起了实验。他很快便得出结论，认为牛顿的实验完全是错误的，这是因为歌德自己发现了一套完全不同的颜色。

在歌德的实验中，他透过棱镜去看窗框。他和牛顿的做法完全相反，他在一片明亮的背景中观察一条黑线，因此，他看到的颜色和牛顿观察到的完全不同。相比于牛顿观察到的红色、绿色和蓝色，歌德观察到的则是青色、品红色和黄色。这一套颜色是牛顿所观察到的色谱的补色。将牛顿看到的颜色合在一起得到的是白色，将歌德看到的颜色合在一起得到的则是黑色。 歌德认为，颜色是我们感知到的一种事物，牛顿却认为这是光的一种固有特性。他们的观点其实都是正确的。今天，我们已经将颜色的物理属性与它的生理学特性（对颜色的感觉）分离开来了。

个体对颜色的反应是各不相同的。事实上，基于这个原理，彩光甚至可以用来进行医学治疗。从艺术的角度来看，我们的意识脱胎于对某种特定颜色光的感知，这种解读十分重要，可以简单地理解成感知颜色是非常重要的。然而，从物理学角度来看，我们可以明确地为“颜色”这一标签赋予一个基本物理特性——频率，至少在我们进入量子光学领域之前可以这么做。 光的范围远远超出了可见光谱的范围。从蓝色可见光的一端向不可见光区域扩展，会依次经过紫外线、远紫外线谱区，接着延伸至X射线、γ射线谱区。从红色可见光的一端向反方向扩展，则会依次经过红外线、微波、无线电波直至T射线［1］谱区。

要“看到”它们，仅仅用肉眼是不够的，我们还需要借助其他各式各样的工具，但至少我们已经知道这些“颜色”的光是存在的。例如，我们之所以能够感受到太阳的温度，是由于我们的皮肤吸收了太阳辐射出来的红外线；低频微波常常被用于手机通信，还可以通过加热食物中的水分来烹饪食物。波长较短的不可见光也很常见，例如太阳辐射出的紫外线会导致皮肤晒伤，而X射线常常被用于医学成像。 X射线也被应用在很多非医疗领域，例如可以利用X射线衍射图揭示分子或者固体的结构。将X射线照射到分子或者固体中时，如果其构成原子是规则排列的，那么经过这些原子散射出来的X射线会形成一定的图案。

即使原子之间的距离是人类头发丝直径的万分之一，我们也可以从该图案中推断出原子的排列结构。最著名的例子也许就是半个多世纪前，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）根据罗莎琳·富兰克林（Rosalind Franklin）（图3右图）与莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）拍到的X射线衍射图确定了DNA的分子结构。这一发现让我们了解了分子的复制机制，为生物医学领域带来了巨大的变革。