序

上帝说

“要有光”，

于是，就有了光。

创世记 1:3

光是我们司空见惯、认为理所当然的东西。现实生活中，我们只要按下电源开关，就能得到光。光也是太阳每天赐予我们的礼物，它让黑暗消失。在学校里，光学知识是物理课程中的一小部分，我们学习光线图和几何光学，认识到光是一种没有实体的自然现象。然而，光的本质并不容易理解，它是脆弱的，也是经久不衰的；是精致的，也是力量无穷的，一代又一代的科学家沉迷于揭开光的本质，对光充满无限遐想。

几千年来，揭开光的本质是一个极度诱人的挑战。这样的科学探索远至古希腊人的猜想，近至20世纪的天才阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和理查德·费曼（Richard Feynman）的研究，挑战永不止步。把光的探索历史和最新的研究结合起来，我们能编织一幅完整的画卷，泼墨这一神奇的现象，勾勒其创造万物的中心地位。

人们最初认为光仅仅是一种视觉机制，后来证明远非如此。它是地球万物的生命之源，给万物提供温暖，为天气提供动力，引起光合作用产生氧气。在爱因斯坦狭义相对论的背后，是电磁相互作用，而光是电磁波。光是把所有物质联系在一起的基本黏合剂，甚至可能是通向时间的必由之路。

回顾那些揭开了光的奥秘的非凡人物的生活和工作，我们会发现，他们不仅给我们解释了光的特性，而且，进入21世纪，举世瞩目的基于光的新技术层出不穷，他们给我们提供了这些技术发展的第一手资料。有了这些技术，我们的生活会有天翻地覆的变化。

我在大学学习物理的时候，被光的力量和美丽所折服。然而，当时我读了许多关于这个神奇主题的书后，感觉枯燥无味。因为你只要看到光学图中的光路、透镜和焦点等，就会哈欠连天。现在回到光本身，我发现它是如此美妙，因此这是一次重新点燃我30年前惊奇和喜悦的机会。这种奇妙的感觉就是这本书要表达的全部内容。

我们无法想象人类生活在一个没有光的世界中，光既是我们认识这个世界的钥匙，也寄托了人类的精神和希望。本书试图带领读者进行一次时间旅行，将人类对于光的探索和感受娓娓道来。随着探索，光不断推动着改变我们生活的技术出现，它甚至还引导我们质疑现实的本质。从新石器时代人们在巨石阵中对光的崇拜，到印象派画家在绘画中对光的革命性观察；从牛顿用三棱透镜将一束白光分解成了彩虹色谱，到爱因斯坦和费曼得出令人震惊的结论……本书探索了人类追寻光的非凡历程和不断被颠覆的认识。这本书呈现的不仅是人类探索的历史，也是一部科学技术发展史、思想史。

布莱恩·克莱格（Brian Clegg），1955 年出生于英国兰开夏郡，剑桥大学自然科学硕士（专攻实验物理）。知名科普作家，为《自然》《BBC 历史》《物理世界》《科学美国人》《泰晤士报》《观察家报》《卫报》等报刊撰写专栏和评论。作品包括畅销书《万有引力》《神之效应》《大爆炸前传》《无限简史》《构造时间机器》等，其作品被翻译为十多种语言。布莱恩是英国皇家艺术学会会员、英国物理学会会员，经常在科教节目中出镜，他在伦敦皇家学院举办的讲座场场爆满。

◎译者简介

郑建川，北京师范大学天文系理学博士。现任职于深圳市天文台，主要从事太阳活动观测和研究、空间天气监测、日地关系研究和天文科普等工作。在APJ、RAA、JGR 等学术期刊中发表专业论文多篇，译有《星际旅行终极指南》《月球之书》等科普著作。

序　　 001

第1 章　光速　　 003

第2 章 哲学家　　 013

第3 章 冲出黑暗　 　031

第4 章 光学设备　 　057

第5 章 看得更远　 　081

第6 章 解剖光　 　115

第7 章 以太之死　 　145

第8 章 可怕的对称　 　183

第9 章 量子电动力学　 　209

第10 章 光的量子纠缠　 　237

第11 章 老虎！老虎！　 　251

历史文献选读　　 268

论颜色和光　 　269

致德国公主的信　 　281

关于光线振动的思考　　 284

发现者法拉第　　 290

论以太　 　296

论新型射线　 　298

延伸阅读　　 303

致谢　 　307

我们无法想象人类生活在一个没有光的世界中，光既是我们认识这个世界的钥匙，也寄托了人类的精神和希望。本书试图带领读者进行一次时间旅行，将人类对于光的探索和感受娓娓道来。随着探索，光不断推动着改变我们生活的技术出现，它甚至还引导我们质疑现实的本质。从新石器时代人们在巨石阵中对光的崇拜，到印象派画家在绘画中对光的革命性观察；从牛顿用三棱透镜将一束白光分解成了彩虹色谱，到爱因斯坦和费曼得出令人震惊的结论……本书探索了人类追寻光的非凡历程和不断被颠覆的认识。这本书呈现的不仅是人类探索的历史，也是一部科学技术发展史、思想史。

布莱恩·克莱格（Brian Clegg），1955 年出生于英国兰开夏郡，剑桥大学自然科学硕士（专攻实验物理）。知名科普作家，为《自然》《BBC 历史》《物理世界》《科学美国人》《泰晤士报》《观察家报》《卫报》等报刊撰写专栏和评论。作品包括畅销书《万有引力》《神之效应》《大爆炸前传》《无限简史》《构造时间机器》等，其作品被翻译为十多种语言。布莱恩是英国皇家艺术学会会员、英国物理学会会员，经常在科教节目中出镜，他在伦敦皇家学院举办的讲座场场爆满。

◎译者简介

郑建川，北京师范大学天文系理学博士。现任职于深圳市天文台，主要从事太阳活动观测和研究、空间天气监测、日地关系研究和天文科普等工作。在APJ、RAA、JGR 等学术期刊中发表专业论文多篇，译有《星际旅行终极指南》《月球之书》等科普著作。

想象这样一个早晨，阳光慢慢照进房间，你起床拉开窗帘，看到窗外火山爆发，空气混浊，炽热的火山岩浆从山上滚滚流下，窗边灰尘如雨飘下。你却什么也听不到，什么也感觉不到。

你迅速走到第二个窗口，拉开窗帘，窗外天空黑沉，甚至比你常见的夜空还要黑，群星清晰可见。你面前是一片崎岖、近乎白色的平原，四周是高耸入云的山峰。突然，你的目光被一个蓝绿色、其间夹杂着白色条纹的明亮圆球吸引住了，它在黑暗中特别显眼。它就是你在月球表面看到的地球。

或许是为了呼吸窗外的空气，你忐忑不安地打开窗户，却突然感到一阵眩晕。因为窗子外面是铅灰色的天空，房间位于25层，下面是熙熙攘攘的城市街道。你刚才透过窗户所看到的一切都不复存在，没有火山，没有月景，没有星星。

神奇的隧道

再次关上窗户，地球依然在天空中平静地运行。似乎透过玻璃窗户并不能看到房间的外面，而是打开了一条通向月球表面的神奇隧道。窗户上没有视频显示器或其他电子设备，只有一面特殊玻璃。这是20世纪70年代极具想象力的作家鲍勃·肖（Bob Shaw）构想出的“慢透光玻璃”，一种光需要几个月甚至几年才能穿过的特殊玻璃。

有了这种特殊的玻璃，我们就能在拥有美景的地方建造一扇神奇的窗户。如果光从玻璃的一面到达另一面需要一年的时间，那么窗户安装好一年之后，窗户另一边的风景才会到达这边。也就是说在玻璃外面发生的一切都要用一年的时间穿透玻璃，之后才会被里面看到。如果你在独特的地方预先设置一个玻璃窗户，然后把它移到室内，它承载的光会在这个玻璃材料中慢慢流淌一年。

极限速度

直到20世纪90年代末，由于科技的发展，人类才有能力造出慢透光玻璃，让想象变成了现实。本章描绘的发现已然证明了新的光技术的非凡力量。接下来，我们将穿越到两千五百年前，开始跟随先贤不断揭开光的本质。在这个过程中，光的极大速度是一个反复出现的概念。因此，光在慢透光玻璃中的速度极其特殊。

光在真空中的传播速度是每秒30万千米，在现实生活中我们难以体验这么大的速度。例如，蜂鸟每分钟扇动4200次翅膀，人眼几

乎无法分辨每次扇动。然而，仅需蜂鸟轻轻扇动一下翅膀的时间， 就已经足够一束光穿过大西洋了。又如，1969年7月20日，“阿波罗

11号”飞船经过4天的旅程后登上了月球。如果“阿波罗11号”是前往离太阳系最近的恒星——半人马座阿尔法星，那么1000年后它还在太空中飞行，而光到达那里只需要4年的时间。

光在玻璃中的运动速度比在太空中要慢一些，但一年也能穿透50万亿（5后面12个0）千米厚的玻璃。这给制造慢透光玻璃带来巨大的挑战，必须有一种方法来给光“刹车”，将其速度降低为原本的1/1018，甚至降低更多。尽管这听起来不太可能，但20世纪90年代 末科学家发明的一种材料就可以做到这一点。

关于光鲜主题的光彩之作，它以一种不寻常、引人瞩目的方式将光的各个方面融合在一起。

——帕特里克·摩尔爵士，英国天文学家

光的特性常常显得神秘莫测。克莱格用平易近人的写作风格和幽默有趣的逸事再现了那些痴迷于光者的生活……他也沉迷于对未来的凝视，其结果相当令人敬畏。

——《新科学家》杂志