光，使我們看到周圍的世界。我們通過對光的感知來收集物理世界的第一手信息，并觀察它們的變化。從這個角度來說，光的這種承載與傳遞信息的能力，也許就是它最重要也是最顯著的特征。

光賦予萬物生命。毫不夸張地說，光與我們人類甚至地球得以存在的生物反應過程和化學反應過程息息相關。可以說，光塑造了我們對周圍事物的認知。從我們的日常經驗出發，也能理解光的這種重要性。例如，我們用光來進行照明，既可以是太陽或者月亮發出的自然光，也可以是人造光。

要討論光是什么，可以從光非常常見的一些性質入手：亮度、強度、顏色和溫度。這些可感知的特性都說明了光是一種物質實體。但是，光到底是什么呢？ 我們可以用家用燈泡作為例子，先來談談光的亮度。家用燈泡的功率通常有幾十瓦（功率的單位為瓦特，簡稱為瓦，用W表示，代表每秒所消耗的能量），具體數值根據燈泡型號不同而不同。一個50W的燈泡足以照亮整個房間，而汽車前照燈的功率一般略大一些，在60W到100W之間。足球場上用來照明的泛光燈的功率則更大，高達幾千瓦。

之后我會詳細討論光是如何由這些不同的光源產生的，但是通過功率的大小，我們已經對光的亮度有一個具體的概念了。毋庸置疑，太陽是亮度最大的光源之一。它輻射的能量巨大，其功率超過了1025W。（在數字1后面跟著25個0！）由于太陽的亮度是如此之大，即使它距離我們非常遙遠，我們仍然不能直視太陽。

以上討論的光，與我們相距越遠看起來就越暗。因此，功率并不是衡量亮度的唯一指標。在某種程度上，亮度與我們從光源那里接收到的能量的比例有關。例如，一支激光筆的功率比燈泡的功率低很多，通常只有千分之幾瓦（不到10-2W或者10mW），但是它照射在屏幕上的時候看起來非常亮。這就引出了下一個與光的亮度有關的概念。 這個重要的概念就是光的強度（更準確的表達是“輻照度”，但是人們更熟悉的可能是“強度”這個術語），即接收器每單位面積上接收到的光的能量。

光的強度取決于光源的聚光能力。激光筆發射出的光看起來很亮，這是因為它的光束聚集在一個很小的點上，相比而言，太陽光則在一個很大的區域內擴散。因此，即使太陽輸出的能量很大，但是它發出的光的強度卻不及一支激光筆。 描述光源聚光能力的基本特征被稱為“光源相干性”。這與光源傾向于向某個特定方向發射光的特性有關。比如，太陽和燈泡總是向各個方向輻射光，這就是為什么我們在地球的任何角落都能看到太陽，在房間的任何地方都可以看到燈泡。但是激光筆只朝一個方向發射光，即激光筆所指向的那個方向。如果激光沒有照射在某個表面，人們就無法看到激光，這是因為激光束具有明確的指向性。

牛頓所做的這個實驗享譽世界。該實驗的第一部分與笛卡兒（Descartes）以及其他人先前所做的相似：讓太陽光穿過一個位于深色屏幕上的小孔，僅有一小束光可以穿過小孔。讓這一小束光透過棱鏡并照射在屏幕上。這時，我們就會在屏幕上看到類似彩虹的顏色帶。牛頓認為這一系列顏色就是白光被分解后的顏色，且這些顏色具有普遍性。歌德被這一現象深深吸引，他從當地的一個貴族那里借來一些棱鏡并自己動手做起了實驗。他很快便得出結論，認為牛頓的實驗完全是錯誤的，這是因為歌德自己發現了一套完全不同的顏色。

在歌德的實驗中，他透過棱鏡去看窗框。他和牛頓的做法完全相反，他在一片明亮的背景中觀察一條黑線，因此，他看到的顏色和牛頓觀察到的完全不同。相比于牛頓觀察到的紅色、綠色和藍色，歌德觀察到的則是青色、品紅色和黃色。這一套顏色是牛頓所觀察到的色譜的補色。將牛頓看到的顏色合在一起得到的是白色，將歌德看到的顏色合在一起得到的則是黑色。 歌德認為，顏色是我們感知到的一種事物，牛頓卻認為這是光的一種固有特性。他們的觀點其實都是正確的。今天，我們已經將顏色的物理屬性與它的生理學特性（對顏色的感覺）分離開來了。

個體對顏色的反應是各不相同的。事實上，基于這個原理，彩光甚至可以用來進行醫學治療。從藝術的角度來看，我們的意識脫胎于對某種特定顏色光的感知，這種解讀十分重要，可以簡單地理解成感知顏色是非常重要的。然而，從物理學角度來看，我們可以明確地為“顏色”這一標簽賦予一個基本物理特性——頻率，至少在我們進入量子光學領域之前可以這么做。 光的范圍遠遠超出了可見光譜的范圍。從藍色可見光的一端向不可見光區域擴展，會依次經過紫外線、遠紫外線譜區，接著延伸至X射線、γ射線譜區。從紅色可見光的一端向反方向擴展，則會依次經過紅外線、微波、無線電波直至T射線［1］譜區。

要“看到”它們，僅僅用肉眼是不夠的，我們還需要借助其他各式各樣的工具，但至少我們已經知道這些“顏色”的光是存在的。例如，我們之所以能夠感受到太陽的溫度，是由于我們的皮膚吸收了太陽輻射出來的紅外線；低頻微波常常被用于手機通信，還可以通過加熱食物中的水分來烹飪食物。波長較短的不可見光也很常見，例如太陽輻射出的紫外線會導致皮膚曬傷，而X射線常常被用于醫學成像。 X射線也被應用在很多非醫療領域，例如可以利用X射線衍射圖揭示分子或者固體的結構。將X射線照射到分子或者固體中時，如果其構成原子是規則排列的，那么經過這些原子散射出來的X射線會形成一定的圖案。

即使原子之間的距離是人類頭發絲直徑的萬分之一，我們也可以從該圖案中推斷出原子的排列結構。最著名的例子也許就是半個多世紀前，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）根據羅莎琳·富蘭克林（Rosalind Franklin）（圖3右圖）與莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）拍到的X射線衍射圖確定了DNA的分子結構。這一發現讓我們了解了分子的復制機制，為生物醫學領域帶來了巨大的變革。