1,什么是“光”?


什么是光?好像大家都知道,但又说不清楚。我们所谓的“光”其实是一个非常主观的概念。现在我们知道,光由许多光子组成,称为光量子,是电磁波所携带的能量的最小单位。光是地球生命的来源之一。同水一样,光是人类生活的根基。没有光,就无从有万物生长。光是人类认识外部世界的工具。光是信息的理想载体或传播媒质。人类感官收到外部世界的总信息中,90%以上通过眼睛。现在我们了解到,除了可见光,电磁波的其它波段,也都是信息传播的载体。

2,先哲们对光的思考


早在2500年前的墨子和古希腊的欧几里得,都对光线有所探究,知道光线是沿直线传播的。在墨经中对光,景,鉴,以及投影、成像原理都有所描述。但他们都不知道发光的根本,欧几里得不明白我们为什么一眨眼睛就能看到星星,他认为是由于人眼睛发出光到达星星,我们才看到。


特别奇怪的是一生问道的老子和孔子,对光似乎视而不见。与对水的哲学思考不同,先秦思想家,很少讨论光,也许是我们睁开眼睛就可以见到光,好像同空气一样,天经地义,是我们生活的一部分,不需要探讨。


中国的古代哲学家对宇宙的根本,也还是有很多思考的。在对光本性的认识上,中国古人深受元气学说的影响,他们认为气是万物本原,晦、明是光的不同表现形式。西汉的《淮南子.原道训》有云:“夫无形者,物之大祖也。……其子为光,其孙为水”。元气化育万物,是循着由光到水的顺序进行的。由此,光是元气的直接产物,其他物体则是元气的间接产物。“盖明者,光也,火之气也;气凝为形,发为光声。”光和声都是气被激发的结果。“阳气困于阴,必迫,迫极而迸,迸而声为雷,光为电”“阴阳相薄为雷,激扬为电”。人们把光、雷、電联系到了一起。古人看到彩虹,认为那是雨中日影,云薄漏日,日照雨滴则虹生。

3,与光有关的汉字、英文


从汉字的起源讲,光:同火,是一个人高举火把,演化为光。光还可以引申为荣耀的意思;火:是发热、发光、赤色,水之必清、火之必明;辉:指光辉;昭:是光明;照:光射在物体上;明:同亮,日、月都是天上的发光体;亮:指有光;灿:光彩、明亮。


其它文化也相似,比如英文,与光有关的词汇是:light光;bright明亮;illuminate 发光;lucent 发光的;shine发光;flash闪电;sunny光明;glowing发光;radiant辐射;brilliant光芒万丈、智慧的;rich丰富;vivid色彩鲜艳的;colorful多彩的;glossy 光亮;polish抛光…此外,由于光没有重量,英文的light还有轻的意思。


大概其它的文化也是大同小异,人们都是通过眼睛看见光,通过对光的理解产生与光相关的语言、文化。

4,现代人对光的认知

近现代人们对光的认识是逐渐深入的,现在我们在初中就学到:光是电磁波,通过电磁感应传播,不需要介质,光速恒定......


对电和磁的认识,古希腊3000多年前就有所了解,电和磁的名称都源自古希腊,电同琥珀,摩擦琥珀产生电;磁一词的来源是希腊马格尼西亚镇出产磁铁。中国1000多年前发现了磁石,并发明了指南针。通过对光的了解,我们还发明了日晷及皮影戏。

光是电磁波


光是我们体验这个世界的基础。我们在黑暗中摸索,直到迎来黎明——而对于光本质的理解,也经历了同样漫长过程。


早期的物理学家认为光的传播是无限快的。惠更斯、胡克等认为,和声波类似,光是在以太中传播的振动。托马斯.杨的双缝干涉实验,确认了光的波动性。麦克斯韦的工作首次从理论上证明了,电和磁场的运动都具有波的性质,并且这种波的运动速度是光速。通过这一结论,麦克斯韦进一步推断光本身可能也正是由电磁波所携带的——光是一种电磁辐射。


现在我们知道,光的传播与声波、水波、地震波的传播是完全不同,后三者是机械波,需要介质,而光(电磁波)可以在真空中传播,并且速度最快。所有电磁波传播速度都是恒定的,也就是我们平时所说的光速。通常为了方便,我们设定光速恒定,在真空中的速度是3x10^8米/秒。电磁波波长越短,频率越高,能量越强。电磁波包括r射线,x射线,紫外线,可见光,红外线,微波,无线电(包括短波,中波,长波)。我们通常所说的光是肉眼可见的光,是波长大约400-760纳米的特殊电磁波(10^-9m量级)。太阳发的光是混合光,呈白色,它是由赤橙黄绿青蓝紫等7色光组成。实际上光有更多的丰富的色彩,说7色光只是一个概括。

光是粒子


1900年,德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)提出了光量子的概念,牛顿也相信光是粒子,因此他还与罗伯特.胡克不和,爱因斯坦相信光是光子,不仅仅是可见光,全部电磁波都是不同频率的光子辐射。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现,用大于特定频率的光照射金属板会使电子脱离金属原子,产生电流。


直到20世纪人们才对光有了比较完整的认识,知道光是量子(photon),由于电子跃迁而发出(或被吸收),是能量的携带者。因为所携带的能量不一样,所以光呈现了各种不同的现象。我们肉眼可见到的光是由光子构成的,其余所有的电磁波,包括X射线,微波和无线电波也都是一样,光是粒子,尽管我们眼睛看不见。


光子的发出是由于自发辐射或受激辐射,人眼能看到物体是因为物体吸收了从太阳(或灯光)发出的光,产生受激辐射,原子中的电子发生能量跃迁,再从高能级跃迁到低能级,释放光子,进入人眼,我们因此可以看到形形色色的不同物体。我们看到的五彩斑斓的色彩,是因为光子的频率不同,光子的每一次反射,频率会改变,我们因此可以看到西瓜的紫红色,花朵的五彩斑斓。

光呈现波粒二象性


通过实验,现在人们确认无误地知道,光是粒子,光也是电磁波,它以这两种形式同时存在,只是看我们以那种方式观测。听起来很神奇。

        

我们通常所谓的“光”是一个狭义概念。只有我们眼睛看得到的电磁波才是光,我们看不到的就不是。紫外线 ,也叫紫外光,介于射线和光之间,红外线,也常称为红外光。紫外以外,称为射线;红外以外,被称为波。说光是电磁波现在应当没有问题,但说电磁波是光,很多人还是不好理解。


通常我们仍然还是不把无线电和射线当作光。光的波长远远小于普通无线电波,量子效应不能忽略,而普通无线电波可以忽略量子效应。光在微观的领域是粒子,在宏观领域又具有波动性。波长极短的r射线和x射线,由于他们的波长短,能量高,其粒子性明显,波动性相对比较弱。


一个很重要的问题:为什么光速是最快的?大于光速的能量超过临界值,通过希格斯场,获得质量,转化成了物质。(量子物理的知识,我不明白,这里不再深入讨论。)

5,电磁波


我们现在知道,电磁波的频率及波长都是连续的,频率与波长成反比,决定因素是光速。电磁波谱的波长从几万公里的超长波到0.01埃的伽马射线的连续波谱。


r射线,波长在0.01埃左右,10^-12m的量级,比原子还小,是由于核反应过程的原子核激发产生,能量极高,我们了解最多的是,r射线广泛用于癌症的放射放疗,(proton是高能质子束,可以更好地定点治疗,但proton不是电磁波)。(a射线和b射线同r射线不一样,前两者是有质量、带电荷的粒子流,由原子的放射性衰变产生。a射线是氦原子核的粒子流,b射线是中子变为质子放出的电子流,他们都不是电磁波,没有频率)


X射线,也称X光,波长是0.2-20埃(20埃=2纳米)我们都知道x光常用来做透视,和机场的安检。x射线是由于原子的内层电子的激发产生。


紫外、可见、红外光是由于原子的外层电子激发产生,我们通常所说的光是指肉眼可见的光,波长在400-760纳米的电磁波,10^-9m的量级。


无线电是由于电子的周期运动产生,通过电磁感应传播,属于宏观范畴,符合经典力学规律,是我们通常所理解的电磁波。广播电视通讯都使用电磁波。微波波长在1mm到1m之间,微波应用范围很广泛,有雷达,Wi-Fi,微波炉等等。通常的Wi-Fi使用5-12cm的微波,5G的频率更高,属于毫米波,需要更高能量。无线电波的波长大于1m,短波是1m-100m的无线电波,常常用做电视信号和短波电台的传播。无线电波通常不用波长而是用频率表述。

(甚低频(3-30KHz),超长波,波长在10-100km范围,用于导航和声纳。低频(30-300KHz)属于中波,长波,波长在1000-10000m之间,远程通讯。中频(300-3000KHz)是中波,波长在100-1000m,AM广播。高频(HF,3-30MHz)是短波,波长10-100m,短波广播。甚高频(VHF,30-300MHz)是波长1-10m的短波,FM广播。特高频(UHF,300-3000MHz)分米波,用于电视,移动通信,GPS。超高频(SHF,3-30GHz)的厘米波(微波),用于卫星广播、电视,雷达,微波炉(2.4GHz),移动通讯(5G通讯,3.5GHz)。极高频(EHF,30-300GHz)的毫米波(微波),通信,雷达。光波,太赫兹频段(THz),1500纳米左右的红外光,用于光纤通信。)


人眼可以感受到的波長範圍一般是落在390到700nm。對應於這些波長的頻率範圍在430–790 THz之间。陽光在地面的輻照度是每平方公尺1 千瓦。其中有527瓦的能量是紅外線、445瓦是可見光,而32瓦的能量是紫外線。


任何超过绝对零度的物质都会自动发射电磁波,光子就是电磁波。大多数自发辐射的能量都很低,波长长,我们眼睛看不到很多物体的自发辐射,不过红外夜视仪可以看到很多物体的辐射。放射性物质,核子激发持续发出高能量的r射线,我们人眼也看不见,感觉不到(但会损伤人体),只能通过仪器检测。萤火虫发光,不是自发辐射,他们发出的光,来自体内的化学能。

6,我们为什么可以看见光?


我们的眼睛可以看到光,这其实也是一个奇迹,或者说是神迹,都是上帝的创造。眼睛像透镜,把光线聚焦,在视网膜上成像,视网膜的视中央区有可以检测三种不同颜色的视锥细胞,分别感知蓝、绿、红光(440、550、570nm)。视觉细胞上有跨细胞膜的视蛋白,参与光子到电化学信号的转化,从而开始视觉信号的转导通路,(视蛋白接受光子是由于视黄醛接收一个光子,产生分子跃迁,改变构象)。通过这些视锥细胞兴奋程度不同,经过几次神经冲动的传递,在大脑的视觉皮层归纳、计算出物体的颜色、距离、运动及光强。视杆细胞对弱光极其敏感,在夜间,可以察觉到一个光子的变化。实际上,我们对人脑的视觉形成还没有完全了解。


宇宙中的几乎所有物质,只要不是绝对零度,有热运动,都会发出无线电波。各种波长的电磁波都广泛存在。可是为什么人的眼睛只能看到400-700纳米的电磁波,就是所谓的可见光?简单说是由于眼睛的设计,不同的动物的视觉与人眼有些差别。如果要深入探讨,人们还说不清楚,是不是其它频率的光波比较难通过视蛋白的结构变化产生视觉呢?


如果我们可以看到x线,微波,紫外线,红外光不是更好吗?显而易见,上帝让我们看到的是最美的,蓝天白云、皑皑白雪、雨后彩虹、万紫千红的花朵。如果能够看见无线电波可不一定是什么好事,对大脑来说就更糟了!人要是能看见微波,会感觉天空将会发出强烈的光芒,如果人眼能看到红外线,那么所有的物体都是没有颜色的,物体给人的感觉只是热的感觉,即使你有X射线视觉,透过衣服看到的也只是骨头而已。拥有可见光的视力,人类已经生活的够幸福了,如果要求更多,结果可能会事与愿违。


我们有时会奇怪,光无处不在,然而当我们仰望天空的时候,仍然是一片漆黑,只见繁星点点。这是因为基本上是真空的太空,无法反射光线,我们只能见到点点繁星。而哈勃望远镜,可以拍摄星系的x射线,紫外,可见光,红外,微波照片。近期公布的首张黑洞照片,是用近似地球大小的射电望远镜组,拍摄的毫米波长的电磁波,然后合成了伪彩色照片。

7,光给予我们的厚赐


光是电磁波,光是粒子,带有能量。植物光合作用(Photosynthesis),是利用光能的合成作用,是有叶绿素的植物、藻类和某些细菌,在可见光的照射下,经过光反应和暗反应,将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物(主要是葡萄糖),并释放出氧气(或氢气)的生化过程。 光合作用是植物利用光能,产生出所有生物可利用的食物,是生物界赖以生存的基础,也是地球碳氧循环的重要媒介。叶绿素是复杂的环卟啉结构的有机化合物,吸收459nm的蓝紫光,反射550nm的绿光。关于叶绿素吸收光转化为能量的原理,有点复杂,这里就不深入探讨了。地上的生物,归根结底是依靠太阳光生存,光不仅仅让我们看到色彩斑斓的世界,光更是厚赐给我们温暖和食物的根本来源。


也许有一天我们能够更好的驾驭光,或高频电磁波,作为最理想的星际航行的能源。现在热门研究的量子通讯和量子计算机,就是更好地驾驭和利用光子的一个例证。

8,人们对光的感叹和赞美


所有的民族都对光发出相同的赞叹,描写光、阳光的词语及成语,随手拈来,就有成百上千个。太多太多的赞美词句:“太阳的光,是凝结人间、天地之间的万千美好的上帝。“ ”太阳的光,是整个地球人的向往。“ “太阳光,是创造神奇的力量。”“ 太阳光的照耀下,春天里,百花芬芳四溢,夏季里,万物茁壮成长。秋天里,收获累累硕果,冬天里,冰霜消融。”


对光的赞叹和思考不仅仅停留在对现象的描述上。而是常常深入到心灵深处。“清晨,阳光像一束闪亮的金线,不仅照亮了房间,也照亮了我的心田。”“ 那在黑暗中猛然亮起的灯光,照亮了我的心房。”“ 心中的灯光为谁点亮,照的是快乐非常。””黑暗中一束光,指引我前进…”“太阳也光顾污秽之地,但并没有因此而被玷污——第欧根尼“。“日光穿透污云浊气,自己却一尘不染。——圣奥古斯丁。”“ 有阳光的地方,就有阴影。—— 博恩。”“ 有了阴影,光明才能更具有耀眼。——海泽。”“ 光照在黑暗里,黑暗却不接受光。——引自圣经”“ 应当向着光行走,免得黑暗临到你们——引自圣经。”

9,光是上帝创造,厚赐给人类


聖經创世记开篇寫道:「起初,神创造天地。神說:『要有光!』就有了光。」创世记明明白白的告诉我们大家,上帝说要有光,于是就有了光,可以说“光”是上帝的第一个创造!


科学发展到今天,人们对光还是有很多的不解,比如前面探讨的“为什么整个宇宙,光速最大?”“光为什么没有质量却可以携带巨大的能量?”“光与电磁波为什么这么神奇,可以携带各种信息?”上帝创造宇宙万物,我们不了解其实很正常。这是上帝的智慧。


即使在量子物理学的范围,人们依然对光子有很多不解。比如“光子有没有体积?”“光子是物质吗?如果是,为什么光子的质量和体积均为零?”虽然人们的认识还没有完全统一,大多数物理学家接受,光子不是组成物质的基本粒子,是传递能量(电磁力)的玻色子。从量子力学的角度,是这样描述光子:光子是玻色子,电荷为零,质量为零,体积为零,半衰期无限长,有自旋,有动量。正负粒子的泯灭产生两个光子。


我们常常会遐想,在夜空中,我们打开手电筒,射向天空的那束光去了哪里?光是能量,不会凭空消失,他们或者被碰到的物质吸收(是被电子吸收),再以不同的能量、频率发射出来,光子也可能最终掉到黑洞里被(暂时)束缚,要不然就会一直在宇宙中传播下去。

上帝创造了光,上帝看着“是好的”,有了光,地上“发生青草和结种子的菜蔬,并结果子的树木”,从此,伊甸园里万物生长……


上帝创造了光,我们的眼睛可以看到这个世界的美丽:百花争艳的春天、草长莺飞的夏季、层林尽染的秋天、银装素裹的冬景;看到湖光山色、柳绿桃红、枝繁叶茂、万紫千红;看到蓝天白云、繁星点点、高山流水、千里沃野……


上帝创造了光,又赐给人类智慧,逐渐学会了利用光、使用电磁波,使生活更方便:我们用灯光照明,在黑夜也有光。我们制造出了显微镜、望远镜,极大地扩展了认识世界的宏观、微观的尺度,大可以远观星系,小可以窥见粒子。通过电磁波搭载无限的信息,利用通讯、广播、互联网、雷达、卫星定位,让每个人都有了“千里眼、顺风耳”。我们学会了利用激光、偏振光,扩展了我们使用光的工具,带来了医疗、通讯、科研、工业、军事、生活各个方面的极大便利。高频放射线的使用,使工业探伤、医学检测、癌症治疗成为可能。盖格计数器的发明,我们能够“看到”放射性。电荷耦合元件(CCD)使数码成像得到广泛应用。双光子激发显微镜(two Photon)可以拍到更精细的显微照片……然而,我们这还只是开发、应用了电磁波的很小的部分频段。

10,光污染


上帝厚赐给人类,让这里有光,叫人们看见光,又启发人类学会利用光。神看着是好的,一切都很美好!Light is Good。


然而,人们还觉得不足,我们要多多的点亮灯光,要使黑夜如白昼一般,不!要比白昼还要漂亮;我们要把高楼大厦都装上玻璃,让所有的楼房从外面看起来漂亮,从里面看起来舒服;我们要造许多许多的荧屏,人手一个,不!每个人要有好几个,让我们睁开眼睛就看到屏幕,播放各种各样的视频,玩各种各样好玩的游戏,显示无穷无尽的资讯,让世界各地发生的事情,都尽收眼底……


太多了!物极必反,我们的眼睛承受不了这么多,我们不需要这么多的光,上帝造的是最好的,可是聪明的人类,还要超过上帝,我们有创造力,我们可以胜过一切!


但是我们制造了光污染。我们制造了白亮污染、我们制造了人工白昼污染、我们制造了彩光污染,我们制造了荧屏依赖症。光污染正在威胁着每一个人的健康。镜面建筑反光,导致的行人和司机的眩晕感,车祸频发;以及夜晚不合理灯光让我们不能入眠,我们会头痛、疲劳、焦虑、抑郁、内分泌失调、昼夜节律破坏 ;我们十几个小时盯着荧屏,损害眼睛,导致近视、白内障、弱视、直至失明。


光污染影响了动物的自然生活规律,使动物昼夜不分,影响辨位能力、竞争能力、群体活动能力,甚至是猎食者与猎物的位置互换。我们贪婪的人类,地球的主宰者,是时候应当反思自己的创造了。不管你相信与否,上帝造的,永远都是最好的。

11,上帝的光照亮人的心灵


耶稣又對眾人說:「我是世界的光。跟從我的,就不在黑暗裡走,必要得著生命的光。」基督的光是一種源自於神且透過基督而來的天上能量、力量或影響力,能賦予萬事萬物生命和光。良知是基督的光的一種表現,讓人能夠辨別善惡。


我们人类始终有两个选择:信靠上帝或者远离上帝。现代科技大体上是西方文明从文艺复兴逐渐发展起来。深层次的原因,是因为宗教改革,上帝的光再次照耀欧洲,以基督教为主体的欧美国家,远离中世纪宗教迫害的黑暗,人们追求真光,探索真理,明白上帝的美好创造,把上帝原来厚赐给人类的祝福慢慢开发出来,造福人类的现代化生活。这也是上帝的广泛恩典。“上帝降雨给义人,也给不义的人。”


现在社会是个多元的世界,价值观混乱, 人们看重今生,追求感觉,强调能力,淡化生命的真道,并且认为我们现今所拥有的一切,都是靠人类自己的智慧,不相信上帝,不相信创造,认为我们依靠自己的智慧,可以再造出“通天塔”。远离上帝真道,根据人们自己的需要及好恶来订立相对标准,令上帝的光辉在这个世界变得暗淡。“光来到世间,世人因自己的行为是恶的,不爱光,倒爱黑暗,定他们的罪就是在此。”


耶稣“道成了肉身,住在我们中间,充充满满的有恩典有真理。我们也见过他的荣光,正是父独生子的荣光。”“ 那光是真光,照亮一切生在世上的人。”“ 生命在他里头,这生命就是人的光。”我们信从这光,就成为光明之子。光照在心灵中,心灵光明了,光照在人生中,有了光明的人生。最后有光明的归宿,进到荣耀的天家。跟随耶稣基督的人为光作见证,为主的光做见证。“你们是世上的光。城造在山上是不能隐藏的。人点灯,不放在斗底下,是放在灯台上,就照亮一家的人。”属主的人都会发光,基督徒在社会上为主发光,叫人看见他们的好行为!属主的人,跟随圣灵的光辉引导,在这个世界结出“仁爱、喜乐、和平、忍耐、恩慈、良善、信实、温柔、节制” 的果子。跟从耶稣的人,从此“ 不在黑暗裡走,必要得著生命的光!”


上帝创造光,不仅仅是赐给我们生命,让我们看见美好,给我们资讯,让我们生活便利,更重要的是让我们看见上帝的荣光,知道如何为人,见证上帝的美好。

后记


很多不信上帝的人肯定会和我辩论:你怎么说光是上帝创造?你会问我上帝是如何造出光来?光明明是大爆炸产生的,不仅仅产生光,还有另外几十种基本粒子,然后有了宇宙,然后有了太阳系、地球、最后进化出了地上的生命。所有一切都再自然不过。那么,这些‘’自然过程“是什么力量在控制?我们生活在如此精美的世界,都是随机炸出来的吗?恐怕很难说服你自己。退一步说,你又如何证明这一切的美好不是创造的呢?


上帝的智慧是无限的,时机不到,有些事情还没有向我们显明,我们需要的只是谦卑自己,让上帝坐在宝座上,上帝就一定会祝福我们一生,更重要的是,给我们永生的盼望。


请原谅我知识有限,逻辑思维也不行,智商就更不够,但我知道敬畏上帝,感恩神赐给我们一切的美好。也愿意上帝祝福所有有机会看到本文并且愿意相信耶稣基督的人。上帝祝福你!

本文的文字是作者原创,一些基本的科学事实,与互联网上和教科书的上的知识核对过,有不一致的地方,作者做了一些主观取舍。大部分图片也是作者亲身拍摄,部分图片是从网上下载的,包括美篇上美友发布的照片。借用的照片,以前做过一些编辑,很多已经不记得出处,不能一一致谢,敬请原谅。