顶点小说

第四章 上帝的注视和滴水的水龙头（第2页）

从许多方面来看，光是一种波。例如，想象光在一间暗室中经过两条平行窄缝的景象。光通过这两条窄缝后，投射在荧幕上的影像是什么样的？答案是：条纹。更正确的答案是：一系列的条纹影像，叫作“干涉图像”（iern）。光的传播和子弹不同，子弹经过窄缝后还作直线飞行，而光经过窄缝后，以波的方式从这两个窄缝散播出来，向各角度发散。光的波峰射到的地方，就是亮条纹的地方，叫作“相长干涉”（struterference）；波谷射到的地方，就是暗条纹的地方，叫作“相消干涉”（destruterference），这种干涉现象就是光的特性。同时穿过码头的木柱排的两个空隙的水波，相遇时也会产生这种干涉现象。

但光也能像子弹一样传播，我们称之为光子（photons）。常见的光电池（如摄影机或光电式计算机中的电池）就是利用这一特性。光子每次撞击对光敏感的薄面就会释放出1个电子；许多光子撞击就会放出许多电子，形成电流。光怎么能既是波又是光子（粒子）呢？也许我们不应当把光比作我们日常见到的现象，如波或粒子等，而应把它视为我们日常生活中从未见过的一种新东西，既不是波也不是粒子：在某种场合下，它体现了波的性质，而在另一种场合下，它也可以体现粒子的特性。这种波及粒子的双重特性可以促使人类学会谦卑：自然界不是经常按我们人类的习性、癖好或偏爱来行事的。我们自认为很合适的想法不见得就是大自然的做法。

在许多方面，光和声波很类似。光波也是三维的，可以上下左右传播；光也有频率、波长、速度（光速）。然而奇怪的是，光传播时不需要媒介（如声音需要空气来传播）。太阳射出的光，以及远处星球发出的光，可以穿过真空传播到地球上。在太空中，航天员如果不用无线电通信，就无法听到其他航天员的声音。可是，他可以清晰地看到其他航天员。如果他们靠得很近，近到两位航天员的头盔都碰到了一起，他们就可以听到对方说的话。[30]如果把房间中的空气都抽掉，你就听不到他们叫苦的声音，虽然你还是可以看得到他们喘气和敲打门窗的动作。

一种颜色对应一个频率

一般的可见光，就是我们平常看得到的颜色，频率非常高，每秒约有600万亿的光波射入你的眼中。因为光速是每秒行进300亿（3×1010）厘米（或每秒30万千米），波长是波速除以频率，因此，可见光的波长约为0。00005厘米（3×10106×1014=0。5×10-4），即使我们有办法像看到水波一样看到光波，光波也小到我们分辨不出来。

不同频率的声音，在人耳听来呈现不同的音调。不同频率的光，在人眼看来，就是不同的色彩。红光的频率约为460万亿赫兹（每秒4。6×1012个波），紫光的频率为710万亿赫兹（每秒7。1×1012个波）。频率在红光紫光之间的光波就是我们熟知的彩虹颜色。每一种颜色对应一个频率。

问音调对天生失聪者的意义，犹如问颜色对天生失明者的意义。同样，这个问题唯一明确的答案就是波的频率——此频率可以用光学方法准确测量出来，如果我们愿意的话，就可以用不同音调的乐音表示出来。一位失明者，如果加以训练，本身又有相应的物理知识，就可以分辨苹果的玫瑰红和血液的红色。只要有一份收集了许多光谱的档案，这位失明者对色彩的分辨本领也许要远高于一位未经训练的正常人。当然，对一位视力正常者来说，看见460万亿赫兹的红光波时，心中可能会升起一股特殊的感觉。与失明者相比，除了这种对460万亿赫兹光波的特殊感觉，其余就没有什么不同了。虽然有美的感受，但是再没有其他神奇的东西了。

和我们听不到很高或很低的音调一样，有些光波的频率或色彩超出我们的视觉范围。这些看不见的光的频率可以很高（伽马射线的频率在1018赫兹左右），也有更低的（如在1赫兹以下——每秒波峰的数目少于1的长电磁波）。从高频率到低频率，各种光波的名称依序是：伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。这些都是可以穿过真空的波，每一种都是正正规规的和可见光一样的光。

上述的每一种光都有一种与之对应的天文研究。天空回应每一种光的形态都不同。观测可见星星时往往看不到伽马射线波段的天体。而用伽马射线观测台虽能探测到至今还是谜一样的伽马射线暴，但并不能看到可见光的天体。如果我们只看可见光部分的宇宙——在大部分的人类历史中，我们就是这样做的——我们就不可能知道天上有伽马射线源这回事。对于X光、紫外线、红外线，以及无线电波也是一样的（以及更为奇特的中微子及宇宙射线源，甚至是引力波源）。

人眼只看到可见光

我们对可见光有偏爱。我们是可见光的盲目崇拜者。这是因为我们的眼睛只能看到可见光。但是如果我们能放射并接收无线电波的话，古代祖先之间的通信距离就可能更长；如果能放射并接收X光的话，我们的祖先也许就能看到植物、人类或其他动物的内部结构。既然如此，为什么我们在进化的过程中，没能看见这些非可见光？

任何物体都会吸收某一频率的光，并让其他频率的光通过，所以每一种物质都各有其所好。光和化学间似乎有一种共鸣。有些频率，例如伽马射线，所有的物质都能不分青红皂白地吞下这类光。如果你有一个放射伽马射线的手电筒，它放出的光经过空气就会被空气吸收。从遥远太空来的伽马射线，一进入地球，就被高空的大气吸收了，不能射到地球表面。在地面上，用伽马射线去看天空，天空奇暗无比，唯一例外是在核武器附近。如果你要看到我们银河星系中心放出的伽马射线，一定要把仪器放到太空中去。同样，要看到X光、紫外线及大部分的红外线，也要到太空中去。大部分物体对可见光的吸收都不太强。例如，空气对可见光就很慷慨，吸收极少。这就是我们的眼睛看到的是可见光的原因，只有可见光可以穿过大气射到我们所在的地方。如果你真能看到伽马射线，在被吸收伽马射线的大气包围时你的眼睛毫无用武之地，只能看到一团漆黑。天择自有其道理。

另一个我们能看到可见光的原因是，太阳所放出的大部分能量就在可见光范围内。一般而言，一颗表面非常炽热的恒星放出的光大都在紫外线范围；一颗表面寒冷的恒星放出的光大都在红外线范围。从某种角度来看，太阳只是一颗普通的恒星，放出的光大都在可见光范围。而人眼对光最敏感的频率就是黄光，这也是太阳光最明亮的频率。

是不是有这样一种可能：居住在其他行星上的外星人，他们看见的光的频率和我们看见的大不相同，有不一样的频率范围呢？我认为这不太可能。宇宙中遍布的气体在可见光的频率范围内都是透明的，而在其他的频率范围内几乎都是不透明的。除了一些表面温度极低的寒冷恒星以外，大多数恒星放出的光在可见光范围也最强。看起来好像是一种巧合，恒星发出的光的频率正好在大多数气体透明的波段。这种巧合并非只发生在太阳系中，也发生在宇宙各处。这种巧合来自辐射基本原理、量子物理，以及核物理的原理。也许偶尔会有例外，可是我想说如果有其他世界的外星人的话，他们的视力频率范围和我们的不会相差太远。[31]

黑白分明的谬误

植物吸收红光及蓝光，把绿光反射出来，因此，对我们来说，植物呈现绿色。我们可以画一个图，显示物质对不同颜色的光的反射强度。吸收蓝光反射红光的物体呈红色，吸收红色反射蓝光的呈蓝色。如果一件物体对所有颜色的光的反射率都一样高，看上去它就是白色的，对灰色或黑色的物体来说，它们也对所有颜色的光有相同的反射率。白与黑的区别不在于颜色不同，而在于反射的多少。这些用词都是相对的，而非绝对的。

也许自然界中最明亮的物体是新下的雪。可是，它只反射75%的阳光。我们最常接触到的最黑的物体——例如，黑天鹅绒——只反射百分之几的光。“黑白分明”这句话，是一种概念上错误的比喻：黑与白本质上是完全一样的，它们之间的区别在于反射了多少光，而非颜色上的不同。

人类中，多数“白”人的白并不像新雪的白（甚至也不像冰箱外面涂的白色），而大多数的“黑”人也不像黑天鹅绒一样的黑。这些名词是相对的、含糊的、混淆不清的。光照到皮肤上的反射比例（反射度，reflectivity）因人而异。皮肤的颜色与一种叫作黑色素（melanin）的有机化合物有关，这是人类身体的自然产物，来自人体的酪氨酸（tyrosine，是蛋白质中常见的氨基酸的一种）。白化症（albino）是一种遗传疾病，由于身体无法制造黑色素，因此患者的皮肤和头发都是乳白色的，眼睛瞳孔呈粉红色。在自然界，白化症动物极为稀少，因为白色的皮肤对太阳几乎没有抵抗力，白化症动物的存活率不高。

在美国，几乎所有的人都呈棕色。我们的皮肤对光谱上红光一端的反射要比蓝光一端的反射强些。因此，我们称皮肤中含有较多黑色素的人为“有色人种”，这就和把皮肤中含有较少黑色素的人叫作“漂白人种”一样毫无道理。

只有在可见光和邻近的频率中，才有肤色反射率不同的区别。在紫外线及红外线的频率范围内，北欧人和非洲人一样都呈黑色。只有在可见光的范围内，一般物体呈透明状，才有不正常的白肤色。在大部分的其他频率范围内，所有人都呈黑色。

花颜色的魔法师：花青素

阳光是由彩虹中不同颜色的光构成的。论分量，黄光要比红光或蓝光多，因此，太阳略呈黄色。各色的光都照在物体上，例如红玫瑰花瓣上。为什么玫瑰花瓣呈红色？这是因为除了红光外，其他的光都被花瓣吸收了。所有颜色的光都照到玫瑰花瓣上，这些光在玫瑰花瓣中匆忙地反射来，反射去，最后再反射出来。就如在浴缸中的水波一样，每一次反射它的波幅就减少一些。蓝光同黄光在历次反射中被吸收的分量比红光要多。经过许多次的内部反射后，反射出的红光就比其他的光要多。因此，我们才能看到一朵美丽的玫瑰花。在蓝色或紫色的花瓣中，也发生过类似的现象，不同的是红色和黄色的光在多次的反射中，被吸收的分量超出蓝色或紫色。

在玫瑰花或紫罗兰的花瓣中，吸收颜色的是一种有机物。由于这些颜色十分引人注目，因此这些花的名字都带有这些色彩的名称。这种有机物叫作花青素（antho）。

令人惊奇的是，在酸性**中花青素的颜色是红的，在碱性**中为蓝色，在中性**（水）中，则呈紫色。因此，红玫瑰是红的，因为它的花瓣含有花青素并呈现酸性；紫罗兰是紫蓝的，因为它的花瓣含有花青素并呈现碱性。（我想用这几句话凑成一首打油诗，可是没成功[32]）

在自然界中蓝色素很稀有。地球上极少出现蓝色的岩石或沙粒就是个很好的证据。蓝色素一定是很复杂的化合物：花青素由20来个比氢重的元素组成，并按特定的方式排列。

生物有一套应用色彩的独到方法——吸收阳光，经过光合作用，用空气和水制造食物；提醒母鸟雏鸟的咽喉部位在哪；吸引异性；吸引传播花粉的昆虫；用来保护及伪装；人类则通过色彩，感受喜悦及美。可是，出现这些奇迹的可能原因，却来自恒星的物理性质、空气的化学性质，及极为高雅的自然进化出的结构。这种结构让我们和环境和谐共存。

当我们研究其他的行星时，当我们研究它们的大气或表面的化学成分时——当我们费尽心机想去了解，为什么土星的卫星泰坦（Titan）的大气中的昙气是棕色的，或为什么到处都有皱皮式的地形，及海王星卫星的颜色是粉红色之际——我们依赖的是那些和浴缸中的水波差不多的光波的特性。因为我们看到的所有色彩——在地球上，或其他行星上——都和太阳光包含的各波长的光的反射有关。认为太阳光在爱抚我们或把太阳光看成神的注视，比起这种诗情画意的描述，应当有一个更深刻的认知。如果你把光看成和浴缸水龙头滴下的水波类似的现象，你就会对它有更深一层的了解。