我們無法想象人類生活在一個沒有光的世界中，光既是我們認識這個世界的鑰匙，也寄托了人類的精神和希望。本書試圖帶領讀者進行一次時間旅行，將人類對於光的探索和感受娓娓道來。隨著探索，光不斷推動著改變我們生活的技術出現，它甚至還引導我們質疑現實的本質。從新石器時代人們在巨石陣中對光的崇拜，到印象派畫家在繪畫中對光的革命性觀察；從牛頓用三棱透鏡將一束白光分解成了彩虹色譜，到愛因斯坦和費曼得出令人震驚的結論……本書探索了人類追尋光的非凡歷程和不斷被顛覆的認識。這本書呈現的不僅是人類探索的歷史，也是一部科學技術發展史、思想史。

布萊恩·克萊格（Brian Clegg），1955 年出生於英國蘭開夏郡，劍橋大學自然科學碩士（專攻實驗物理）。知名科普作家，為《自然》《BBC 歷史》《物理世界》《科學美國人》《泰晤士報》《觀察家報》《衛報》等報刊撰寫專欄和評論。作品包括暢銷書《萬有引力》《神之效應》《大爆炸前傳》《無限簡史》《構造時間機器》等，其作品被翻譯為十多種語言。布萊恩是英國皇家藝術學會會員、英國物理學會會員，經常在科教節目中出鏡，他在倫敦皇家學院舉辦的講座場場爆滿。

◎譯者簡介

鄭建川，北京師範大學天文系理學博士。現任職於深圳市天文臺，主要從事太陽活動觀測和研究、空間天氣監測、日地關係研究和天文科普等工作。在APJ、RAA、JGR 等學術期刊中發表專業論文多篇，譯有《星際旅行終極指南》《月球之書》等科普著作。

光的本質究竟是什麼？我們為何對光如此癡迷？

翻開本書，一起來看看人類關於光的探索故事

一場穿越時空的旅行

如果我們以超光速前進，周圍的世界會是什麼樣的？我們能否就此回到過去呢？

本書從能讓光速變慢的“慢透光玻璃”講起，帶領讀者進行一場穿越時空的“旅行”，追溯人類探索光的源頭，講述各時代中光對人類的意義，最終回到科學研究的前沿：人們在實驗室中用比光還快的速度傳輸了信息——這些信息是否真的穿越時空回到過去了？

一部科學技術發展史

在探索光的過程中，人們都做了些什麼？又得到了哪些引人注目的成果？

從最簡單的肉眼觀察，到利用透鏡、棱鏡以及更複雜的設備進行實驗，人們不斷在觀察和實驗的過程中發現光的新特性，又不斷利用它的特性創造新設備並獲得新的科學發現。望遠鏡、地心說、電磁效應、攝影技術、電燈泡、液晶顯示器、激光筆、全息圖……進行一場穿越時空的旅行，是否就在不遠的未來？

一次關於本質的思考

詩人、哲學家、數學家、物理學家、天文學家……為何眾人都在為光著迷？

研究光其實就是研究萬物的基本組成。光是物質的核心，它給我們地球帶來視覺、溫暖、食物和能量。它永恒地穿越宇宙，不斷地產生和湮滅。短暫而強大的光現象一直都讓人著迷。在追逐光的旅途上，未來我們是否會有更多關於本質的發現？

序

上帝說

“要有光”，

於是，就有了光。

創世記 1:3

光是我們司空見慣、認為理所當然的東西。現實生活中，我們只要按下電源開關，就能得到光。光也是太陽每天賜予我們的禮物，它讓黑暗消失。在學校裡，光學知識是物理課程中的一小部分，我們學習光線圖和幾何光學，認識到光是一種沒有實體的自然現象。然而，光的本質並不容易理解，它是脆弱的，也是經久不衰的；是精致的，也是力量無窮的，一代又一代的科學家沉迷於揭開光的本質，對光充滿無限遐想。

幾千年來，揭開光的本質是一個極度誘人的挑戰。這樣的科學探索遠至古希臘人的猜想，近至20世紀的天才阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和理乍得·費曼（Richard Feynman）的研究，挑戰永不止步。把光的探索歷史和最新的研究結合起來，我們能編織一幅完整的畫卷，潑墨這一神奇的現象，勾勒其創造萬物的中心地位。

人們最初認為光僅僅是一種視覺機制，後來證明遠非如此。它是地球萬物的生命之源，給萬物提供溫暖，為天氣提供動力，引起光合作用產生氧氣。在愛因斯坦狹義相對論的背後，是電磁相互作用，而光是電磁波。光是把所有物質聯繫在一起的基本黏合劑，甚至可能是通向時間的必由之路。

回顧那些揭開了光的奧秘的非凡人物的生活和工作，我們會發現，他們不僅給我們解釋了光的特性，而且，進入21世紀，舉世矚目的基於光的新技術層出不窮，他們給我們提供了這些技術發展的第一手資料。有了這些技術，我們的生活會有天翻地覆的變化。

我在大學學習物理的時候，被光的力量和美麗所折服。然而，當時我讀了許多關於這個神奇主題的書後，感覺枯燥無味。因為你只要看到光學圖中的光路、透鏡和焦點等，就會哈欠連天。現在回到光本身，我發現它是如此美妙，因此這是一次重新點燃我30年前驚奇和喜悅的機會。這種奇妙的感覺就是這本書要表達的全部內容。

序 001

第1 章　光速 003

第2 章 哲學家 013

第3 章 衝出黑暗 031

第4 章 光學設備 057

第5 章 看得更遠 081

第6 章 解剖光 115

第7 章 以太之死 145

第8 章 可怕的對稱 183

第9 章 量子電動力學 209

第10 章 光的量子糾纏 237

第11 章 老虎！老虎！ 251

歷史文獻選讀 268

論顏色和光 269

致德國公主的信 281

關於光線振動的思考 284

發現者法拉第 290

論以太 296

論新型射線 298

延伸閱讀 303

致謝 307

想象這樣一個早晨，陽光慢慢照進房間，你起床拉開窗簾，看到窗外火山爆發，空氣混濁，熾熱的火山巖漿從山上滾滾流下，窗邊灰塵如雨飄下。你卻什麼也聽不到，什麼也感覺不到。

你迅速走到第二個窗口，拉開窗簾，窗外天空黑沉，甚至比你常見的夜空還要黑，群星清晰可見。你面前是一片崎嶇、近乎白色的平原，四周是高聳入云的山峰。突然，你的目光被一個藍綠色、其間夾雜著白色條紋的明亮圓球吸引住了，它在黑暗中特別顯眼。它就是你在月球表面看到的地球。

或許是為了呼吸窗外的空氣，你忐忑不安地打開窗戶，卻突然感到一陣眩暈。因為窗子外面是鉛灰色的天空，房間位於25層，下面是熙熙攘攘的城市街道。你剛才透過窗戶所看到的一切都不復存在，沒有火山，沒有月景，沒有星星。

神奇的隧道

再次關上窗戶，地球依然在天空中平靜地運行。似乎透過玻璃窗戶並不能看到房間的外面，而是打開了一條通向月球表面的神奇隧道。窗戶上沒有視頻顯示器或其他電子設備，只有一面特殊玻璃。這是20世紀70年代極具想象力的作家鮑勃·肖（Bob Shaw）構想出的“慢透光玻璃”，一種光需要幾個月甚至幾年才能穿過的特殊玻璃。

有了這種特殊的玻璃，我們就能在擁有美景的地方建造一扇神奇的窗戶。如果光從玻璃的一面到達另一面需要一年的時間，那麼窗戶安裝好一年之後，窗戶另一邊的風景才會到達這邊。也就是說在玻璃外面發生的一切都要用一年的時間穿透玻璃，之後才會被裡面看到。如果你在獨特的地方預先設置一個玻璃窗戶，然後把它移到室內，它承載的光會在這個玻璃材料中慢慢流淌一年。

極限速度

直到20世紀90年代末，由於科技的發展，人類才有能力造出慢透光玻璃，讓想象變成了現實。本章描繪的發現已然證明了新的光技術的非凡力量。接下來，我們將穿越到兩千五百年前，開始跟隨先賢不斷揭開光的本質。在這個過程中，光的極大速度是一個反復出現的概念。因此，光在慢透光玻璃中的速度極其特殊。

光在真空中的傳播速度是每秒30萬千米，在現實生活中我們難以體驗這麼大的速度。例如，蜂鳥每分鐘扇動4200次翅膀，人眼幾

乎無法分辨每次扇動。然而，僅需蜂鳥輕輕扇動一下翅膀的時間， 就已經足夠一束光穿過大西洋了。又如，1969年7月20日，“阿波羅

11號”飛船經過4天的旅程後登上了月球。如果“阿波羅11號”是前往離太陽系最近的恒星——半人馬座阿爾法星，那麼1000年後它還在太空中飛行，而光到達那裡只需要4年的時間。

光在玻璃中的運動速度比在太空中要慢一些，但一年也能穿透50萬億（5後面12個0）千米厚的玻璃。這給製造慢透光玻璃帶來巨大的挑戰，必須有一種方法來給光“剎車”，將其速度降低為原本的1/1018，甚至降低更多。盡管這聽起來不太可能，但20世紀90年代 末科學家發明的一種材料就可以做到這一點。