作者 JONATHON KEATS
插图 GRAHAM ROUMIEUMARCH
翻译 石云
校译 杨璐
科学并不只是一堆抽象的符号和精密复杂的实验，也不只是拉动国民经济和国防建设的工具，科学有更广阔的含义。当爱因斯坦提出相对论时，他实际上改变了我们对“同时”、“现在”、“过去”和“因果律”等词语的理解，重构了我们思考、生活和看待世界的方式。科学并非处于真空孤立环境下的专业活动。科学活动从技术、宗教、哲学和文化本身吸取各种支持，反过来又给技术、宗教、哲学和文化提供新的可能。光的历史正是上述这种互动的体现，她有着丰富的含义。BBC甚至专门就光的历史拍过四集纪录片。2015年是国际光年，让我们用词典的方式来回顾一下过去几千年来光所拥有的含义。
2015国际光年的标志
牛津英语词典中关于光的第一种定义是：“引起视觉感官活动的自然材质或影响”。虽然其他定义从“基督教的内心启示”延伸到“纵横字谜的线索”，然而牛津英语词典中关于光长达七页的定义并未诠释出光的全部含义，更不用说对光在整个历史中的重要性进行阐述。从137亿年前宇宙刚刚形成开始，光子就几乎影响着一切。从20万年前人类出现开始，光对于我们的存在就像水和碳一样重要。
下面的词汇表中定义的20个词语，从极光到金字形神塔，反映了光照亮宇宙的方式以及光如何启发我们对世界的认知。由于没有哪个孤立的体系(科学、宗教、哲学或文化)可以囊括光的所有含义，下面这份词汇表只是系统化地随意列举，通过词语的含义来探索光的每一面事实。我们像使用举偶法(synecdoches)一样来理解光和它的众多效应。
1AURORA极光
一种照耀夜空的绚丽光环。地球的每一极都有极光，有时它们大到在赤道附近都能被看得见，给人以异象的启示。在次经《马加比二书》(the biblical second Book of the Maccabees)中，北极光被描述为“骑士飘浮在半空，身穿黄金编织的服装”。对于更熟悉极光的因纽特人而言，极光被理解为天堂里神灵之间的一场足球赛。科学的解释同样令人惊奇：由太阳发射出的带电粒子被地球磁场偏向南北两极，带电粒子在与大气撞击的过程中会像氖气霓虹灯一样发光。
2CAMERA照相机
一种成像的装置。甚至在摄影术发明之前，照相机就是一种将三维实体保存在二维平面上的记录观测的工具。照相暗箱(camera obscura)是一个黑暗的盒子，通过一个小孔将外面的场景投影到空白的平面上。这一点亚里士多德早已清楚，而且暗箱在启蒙运动时期帮助了地形制图和解剖制图。投影描绘器(camera lucida，一种相关的光学装置)的操作不便性促使威廉·亨利·福克斯·塔尔博特(William Henry Fox Talbot)发明了他本人称之为“运用光来绘画”(photogenic drawing )的方法。光线通过光化学反应改变一张纸片，从而代替了手工操作。这一过程的机械本质使得照相机比人眼感知更加客观可信，并随着胶片和数字摄影的发明变得更加自动化然。而比较讽刺的历史是：最开始被看作人眼模型的暗箱，对我们所看见之真实的呈现却是多么有限。
3CHLOROPHYLL叶绿素
可以吸收太阳光进行光合作用的分子。植物和光合细菌通过将水和二氧化碳转换成糖类来生存，而催化这一反应需要能量。叶绿素可以俘获能量光子。然而，叶绿素并非完美。两种不同类别的分子分别在可见光谱的红色端与蓝色端吸收光能效率最高。频谱位于红、蓝光之间被反射的绿光则使叶子呈现绿色，同时标志着绿光失去参与光合作用的机会。任何一位明智的工程师都会愿意将植物和蓝绿藻涂成黑色来吸收所有的太阳光。自然选择却并非那般严苛，对于给整个地球，包括那些工程师提供能量来说，叶绿素是一种足够实用的分子了。
4DEITY神性
神，女神，或神性。无论哪个时代，神性都与光关联在一起。古埃及人膜拜太阳神拉(Ra)。当他睁眼时便是光，闭眼时便是黑夜降临。对于琐罗亚斯德教教徒(Zoroastrians)来说，光是世界的创造者阿胡拉·马兹达(Ahura Mazda)神，他的敌人是黑暗之神安格拉·曼纽(Angra Mainyu)，他们代表了善与恶之间的斗争。犹太-基督教的信仰则更加复杂。在《创世纪》中，光是上帝的第一个创造物，而根据《约翰福音》所言，上帝就是光。但光也象征堕落的天使路西法(Lucifer，指撒旦);路西法的意思是光明使者，其声名来自对夏娃的引诱。皇帝和国王们经常以光明自封，表明对神性的向往。路西法应该被认为是一种合理的警告，即光明也可能是盲目的。
5ENLIGHTENMENT启蒙运动
理性的时代。作为一种对国王和天主教会专制统治的反对力量，启蒙运动出现于18世纪的欧洲。由于光是神性的一种象征，也是包括路易十四在内的任性君王的象征，启蒙哲人们便挪用了这一比喻，但颠覆了其象征古老权力的含义。勒内·笛卡尔(René Descartes)追随“理性的自然之光”，而伏尔泰(Voltaire)将理性思考比喻为高举在黑暗的宗教迷信环境中的火炬。对于那些不可能会读《第一哲学沉思集》(Cogito)或《憨第德》(Candide)的大众而言，这一巧妙的宣传策略，可以立即被领会。在更少被大众阅读的以萨克·牛顿(Isaac Newton)的《光学》(Opticks)中，启蒙运动的理性主义可以更理性地被用来理解光。
6ETHER以太
一种假想的光波振荡传播的介质。以太是启蒙运动焦虑的产物，其动机是为了避免用超距作用来解释如万有引力等现象。尽管有各种不同的说法，但以太最具吸引力的用途乃是对光的解释。特别是在十九世纪的博学家托马斯·杨(Thomas Young)给出了光波的实验证据后，科学家们迫切想用类似声波的方式来描述光。如果声波透过空气传播，那么光波又透过什么传播?必定会有一些物质的东西，因为一切非物质的都必定是精神的。为了理解光的高速，以及地球旋转时并没有带来以太风，数学家们计算出以太一定是比钢铁更加坚固而又比空气更加轻盈的东西。始终没有人发现以太。以太就像神秘的观念一样虚无，且注定不存在。
7FILAMENT灯丝
白炽灯中的发光丝线。电力照明最大的挑战就是找到实用的灯丝，这让包括托马斯·爱迪生(Thomas Edison)在内的发明家都颇为头疼。任何碳化纤维在真空瓶中通电后都会辐射出光，但这种发光只会持续短短几分钟，然后炽热的灯丝就会烧毁。当爱迪生宣称解决了这个难题时，燃气公司陷入了一阵恐慌。他测试了几千种物质，包括纸板、软木、生丝和人的胡须，并最终在日本竹子里找到了合适的物质。与此同时，其他发明家也在寻找其他替代物。英国工程师约瑟夫·斯万(Joseph Swan)使用了棉线。但对于爱迪生而言，灯丝是只电力工业的冰山一角。照明带来电力化的城市。
8FIREFLY萤火虫
一种用闪光吸引配偶的翅甲虫。在这种昆虫的腹部内，一种称为荧光素的化学物质与氧气发生反应产生光，同时萤火虫通过控制气流来调节闪光效果。人类甚至也被这种生物发光(bioluminescence)现象所吸引。在前现代的亚洲，萤火虫被放在笼子里作为生活照明用的灯笼。在日本，捕捉萤火虫曾是一种职业。其他的生物发光有机体，从鱼到细菌，都曾被其他文明用来照明。甚至在矿洞里也使用生物体发光，因为将火焰作为光源可能在那里酿成灾难。今天，最主要的萤火虫消费者是生物学家。他们用萤光素酶和来自发光水晶水母的绿色荧光蛋白作为分子标记，进行医学实验。
9GNOMON晷针
日晷上的指针。最初的时钟就是晷针，通过度量地面上棍棒影子的长度来读出时间。随着城市和官僚系统的壮大，日晷变得越来越精巧和宏伟。在罗马帝国时期，掠夺而来的埃及大方尖碑被用作晷针，投影到刻蚀在地面的巨幅时间网格上。那时，水钟也非常普遍，它通过管道流出的水流速率来模拟太阳一天的变化过程。这已经开始淘汰日晷和太阳的计时方式。从钟摆到原子振荡，时钟变得越来越不依赖日光，最终变得比它一直想模拟的行星系统更为精准。如今的原子钟需要定期进行闰秒校正，以防止正午慢慢漂移到午夜。
10HELIOSTAT定日镜
装设在枢轴上用来反射稳定太阳光束的镜子。在激光被发明之前，太阳光对许多光学实验来说是唯一合适的强光源。带有钟表装置的定日镜会随着时间变化而转动来弥补地球旋转所带来的影响。尽管如今使用了自动控制，但定日镜仍然在做相同的工作，只不过是出于不同的目的：定日镜组成的环形阵列将太阳光的热能聚焦到中心高塔上，产生数兆瓦的太阳能。这些太阳热能工厂让定日镜获得了新的实用价值，让天文学家可以探测夜晚最微弱的光线。桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)占地八公顷的定日镜阵列现在也用作伽马射线的观测。
11LASER激光
“受激辐射光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的缩写。激光辐射出的窄频谱光束，可以调谐到特定的频率上并在时间上达到阿秒(attosecond，10-18秒)量级。从全球通信(手机和电视数据通过激光在光纤线缆中传输)到内科医学，激光给众多领域都带来了变革。激光在现代科技中是如此之重要以至于美国国内生产总值的一半都有赖于它。但激光的价值最初并没有立即被重视。当休斯研究所(Hughes Research)的工程师梅曼(Maiman)在1960年宣告获得第一束激光时，连他自己的助手都认为这是“手握答案来寻找问题”，而休斯研究所则拒绝开发激光技术。激光的最初应用之一是外科医生用它来切除肿瘤。和X光一样，激光首先是通过医生的实用主义而进入我们的生活。
12LIGHT YEAR光年
光在真空中传播一年所走过的距离。对于历史的大多时候而言，这种测量距离的方式都是无意义的，因为光曾被认为是瞬时传播的。即便是那些像伽利略这样的怀疑者也不能证实自己的怀疑，因为光速实在太快以至于无法实验测量。只有天文观测能够满足测量光速的条件，比如不同季节地球到木星的距离。从17世纪到20世纪，光速被逐渐精确到299,792,458米/秒。按此定义，一光年约为9.5*1015米，大约是地球到半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)距离的四分之一。但一米的定义不再是独立的。从1983年开始，一米被定义为光线在1/299,792,458秒内通过的距离。
13METAMATERIAL超材料
一种具有负折射率的人工材料。光线从一种自然物质进入另一种时，比如从空气到水中，会发生弯曲，而材料的不同折射率精确地决定着光线如何弯曲。超材料则反向地弯曲光线，它甚至可以被构造成一种结构来引导光波沿着物体的外围传输。这造成物体隐身的假象。在科幻小说中它被称为“隐身斗篷”(invisibility cloaks)，但这其实扭曲了事实。因为多数超材料只对特定的波长才有效，而且大多时候都在可见光谱之外。
14NEON氖气
元素周期表中的第十个元素。氖气是一种惰性气体，通电时会发出橘红色光。由于发光时释放的热量较少，氖气照明非常高效。20世纪早期，氖气作为氧气制造的废气很容易获得，因此企业工程师乔治·克劳德(Georges Claude)将氖气管当作白炽灯泡的替代品。1910年，他用氖灯照亮了巴黎大皇宫(Grand Palais)的正面，以此展示自己的发明。由于包括氦气和氩气在内的其他惰性气体能产生华丽耀眼的装饰颜色，所以尽管克劳德未能在家用照明领域掀起变革，但这些灯管的独特性质却非常适合户外广告。在许多城市里，氖气霓虹灯比夜空中的星星还要明亮。
15PNEUMA灵魂
古代人认为的视觉运作机制。根据古罗马时代伟大医生盖伦(Galen)的理论，大脑是心灵的所在，而灵魂是从大脑出发通过眼睛到达世界并返回的精神，即一种由阳光引起的视觉上的触感。由于盖伦的著作像法律一样统治了近五十代的医生，所以他的观点就不仅仅只是一个哲学问题。他解刨牛并仔细观察其视神经，以此作为他提出的灵魂理论的基础。虽然他将神经描述为灵魂流通的管道是错误的，但他正确地意识到感觉是通过神经系统进行传达的。
16SPECTRUM光谱
包括可见光在内的电磁波辐射频率范围。人类能够看到的颜色和过去在彩虹中观测到的颜色，都只是光谱的很小一部分，甚至这一小部分也因人们的信念而被以不同的方式感知。比如牛顿就随意地将七种颜色的名字指定给棱镜所折射出的无数种色调，他假设彩虹等同于音阶。十九世纪的天文学家威廉·赫舍尔(William Herschel)看到的一个不那么神秘的景象，向他暗示了光谱的真实范围。他在棱镜的一端感觉到热量，这是红外光线的不可见热度。随着对光谱认识的扩展，我们看到宇宙的视野也在扩大。如今已扩展至宇宙的微波背景辐射，这是宇宙大爆炸的余晖，也是我们能够探测到的最古老的光。
17SUPERNOVA超新星
巨型星体的爆炸性终结。当超新星以1027个核弹头的能量爆炸时，其亮度足以在整个星系被清晰地看见。美洲土著民在洞穴壁画中记录了公元前1054年的超新星爆炸，该次爆炸产生了蟹状星云。哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)观测到了远在一百亿光年外的超新星。由于所有Ⅰa型超新星都有相同的亮度，它们之间的对比表明宇宙在膨胀，并且是在加速膨胀，这使得物质分布越来越稀薄。宇宙的未来注定是孤独的，但如果不是因为超新星，我们甚至没有机会在此做出观测：过去的超新星爆炸生成了对生命至关重要的重元素，并将它们散布在整个宇宙中。
18TALLOW动物脂
从中世纪到19世纪用于蜡烛燃烧的、煮沸过的动物脂肪。最佳的混合是一半羊脂和一半牛脂。在确保每隔几分钟就修剪一次灯芯的条件下，这比燃烧猪的脂肪要产生较少的烟和臭味。微弱的动物脂肪蜡烛在太阳落山后为工人阶级家庭提供唯一的光亮。贵族则可以挥霍鲸油，这是从抹香鲸大脑里提炼出来的。由于鲸油的火焰格外明亮，而大多数科学家都是贵族出身，所以测量单位“烛光”被定义为两盎司鲸油蜡烛以每小时120克速率燃烧所产生的光量。这一标准测度比起捕鲸和蜡烛都具有更长远的意义。
19X-RAY X光
可以穿透不透明固体的高能辐射。德国物理学家威廉·康纳德·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen)于1895年11月8日偶然地发现了X光。当时他注意到真空玻璃管中的高压放电导致一个经过化学处理的屏幕闪光。更奇怪的是，当他把妻子的手放在玻璃管与一个感光板之间时，他得到了她指骨的图像。整个欧洲的报纸都报道了伦琴发现的X光。到1896年1月，医生们已经在使用他的方法来诊断受损的四肢。然而，主流应用走在了理解的前面，比如许多发明家竟然努力尝试给思想拍照。与此同时，兴起了一股担忧个人隐私将被终结的浪潮。即使X光并不能穿透个人的心灵，但它揭示了社会的群体性希望和焦虑。
20ZIGGURAT金字形神塔
研究太阳和星体时用于站立的阶梯状金字塔。金字形神塔是由公元前六世纪巴比伦的迦勒底人(Chaldeans)所建造的，并被刷上彩虹的颜色。虽然迦勒底人被认为是第一批天文学家，他们能够预测白昼的长短和日食的日期，但他们的科学成就是由占星术所驱动的。重要的决定都取决于占星术。这里面有很合理的逻辑：如果留心太阳可以促进农业，那为什么结婚和战事不也如此?再说，无论如何，太阳是神。最宏伟的金字形神塔，高约400尺，其顶端坐落着一个神龛。每晚都有一个适婚少女睡在神龛里的床榻上，等待太阳神的到来。
*作者JonathonKeats是作家和艺术家，写有六本书。包括获得了美国图书馆协会2010年布洛迪索菲奖章的一本故事集《The Book of the Unknown》和一本《Forged:Why Fakes are the Great Art of Our Age》。目前他正在写一本关于巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的书。
原文链接
http://nautil.us/issue/11/light/20-ways-to-see-the-light
欢迎个人转发分享，刊物和机构如需转载，请联系授权事宜：
iscientists@126.com
商务合作事宜请
dll2004@163.com
更多精彩文章：您可以通过回复"年份 月份"的形式接收精彩往期文章，比如回复"201410"即可接收2014年10月份的所有文章。您也可以返回主页点击屏幕下方子菜单获取最新文章、往期文章或直达赛先生微博。谢谢！
赛先生由百人传媒投资和创办。上帝忘了给我们翅膀，于是，科学家带领我们飞翔。
iscientists
,
