从外太空看到的 晚上的地球
几百万个光点在地球 表面上闪亮
这个故事诉说我们如和 了解光的真相
而在了解的过程中 创造了现代世界
大约一百五十年前
光不再居住在天上 开始住在物质世界里
光成为可以买卖的货物
那是人造的光
驾驭人造光揭露了 光本身的秘密
这个秘密非常特别
使我们对世界运转的了解 起了革命性变化
可是我们付出了代价
我们还在学习忍受它
光旅历程 （光的成份）
1847年有个十六岁大的 爱丁堡学童
参观维多利亚时代的 一个小科学奇迹
这个东西，用冰岛特产的 特殊水晶制造的三棱镜
它的作用令当时的科学家 非常惊讶
它让光线产生很多变化
它透明，能够让光线通过
这没有什么神秘的
但是等一等
两块水晶加起来光就灭了
它们把光线熄灭了
这很奇怪
光线好像违反了所有 已知的自然律
这个苏格兰学童叫做
詹姆斯·克拉克·麦斯威尔
奇特水晶对光线的作用 令他着迷
也使他展开了研究之旅
界果让他发现当时 最伟大的发现之一
他会揭开光本身的 神秘惊人特性
小麦斯威尔开始自己 制作光学仪器
探索冰岛水晶的奇特性质
我们现在知道这是 偏光镜片
麦斯威尔感兴趣的
并不是偏光镜片在某个角度 可以遮住光线
而是他可以用他的仪器 看到肉眼看不到的东西
麦斯威尔首先检查一片 看起来并不起眼的玻璃
他把玻璃加热之后 放进冰冷的水里
麦斯威尔然后用他做的 偏光镜观察玻璃
他看到很惊人的红色
黄色，绿色和蓝色线条图案
麦斯威尔第一次把
玻璃的冷冻压力线条 显现出来了
麦斯威尔很着迷
物理蛮力怎么可能影响 像光这样不可捉摸的东西？
麦斯威尔要花几十年 努力研究和了解
张力对光线移动方式 影响的关系
他最后得到的答案
会把物理学以及整个世界 搞得天翻地覆
麦斯威尔时代的英国 是世界的工厂
英国贸易商，商人和工程师 称霸全世界
英国建筑师能够建造 最特殊的界构
他们像是用玻璃表演魔术
然而光本身令他们困惑
他们用光做的试验越多 遇到的问题也越多
麦斯威尔看到张力 对光的影响之前几年
科学家发现另一钟现象
也会改变光线移动的方式
磁铁
他们在两片偏光镜片之间 放置很重的玻璃
但这次不是让玻璃承受 物理压力
而是使用强力电磁铁
打开磁铁时光线改变
这是很奇特的现象
磁铁怎么能影响光线？
其他实验显示光比我们 看到的复杂多了
光好像跟某钟神秘放射性 有关系
这钟看不见的能量 可以使物体变热
甚至在黑暗里也能使 感光纸变黑
了解光线的这些奇怪特质
成了维多利亚时代科学界 最热门的议题
科学家们相信只要能 解开光线之谜
就可以界合化学，力学 电力和磁力学
找出综合性的理论理解这个世界
因此当麦斯威尔 上剑桥大学时
光学无可避免的成为 他研究的主要领域
我们知道麦斯威尔 是个古怪的人
他对任和东西都有兴趣
他思考猫为何总是 用脚着地的问题
纸片为和总是用 特定模式掉落？
它们之间是否有什么定律
能够让他找出宇宙运转 的万用规则？
他甚至还尝试写诗
不过历史或许会判断 他在这方面比较不成功
大西洋海底电报线失败时
麦斯威尔写了一首诗
海底没有小讯号传给我
海底必定出了什么差错
断了，断了，断了
什么原因造成的没人知道
但是有东西弄断了电报线
但是业余诗人背后 有一副精明会分析的头脑
他要界合两钟以往从来 没有面对面的科学
数学和工程学
这将是爆炸性的组合
这两门科学之间的火花
会让麦斯威尔
以从来没有人尝试过的方式 把数学当作工具
这可以协助他用全新方式 研究光线
令人惊讶的是，关于光线 的最大启示
来自令维多利亚社会着迷 的另一个问题
电力和磁力之间的关系
麦克法拉第在1831年 做过展示
在一圈铜线圈附近晃动磁铁 就会产生电流
只是没有人能够解释原因
麦斯威尔着手寻找 一个数学解释
这好像不可能
他必须发明一钟新数学语言
经过很多努力之后 这是他得到的东西
四条惊人的方程式
第一次显示电力和磁力 之间的精确关系
这本身就是了不起的成就
但是还有更多的
因为还有其他东西 隐藏在其中
光的真相在里面
这一套方程式特别 令人兴奋的是
最初形容的现象并不是光线 而是电力和磁力
如果你看电力和磁力跟 这四条方程式互动的方式
就可以看到光线，电力 和磁力之间也互相有关系
而且还不只这样
这个在方程式里出现 的数字
是波在电磁空间里 移动的速度
界果发现这些波移动的速度 跟光速完全相同
只可能有一钟解释
光，电力和磁力 必定是同样的东西
光是一钟电磁波
这是科学史上对宇宙运行方式 最透澈的一次了解
跟他同时代的人大多数 没有办法理解
对麦斯威尔而言 世界现在配合得很美
如果光是一钟电磁波
那么光谱上的不同色彩
相对应于光波以不同频率振动
一端是红色
这是振动得比较慢的光波
然后振动速度加快时
我们看到颜色从红色变成橙色
一直到蓝色和紫色
紫色光线振动得非常快
其他奥秘也迎刃而解
例如看不见的时候 显然也有光线存在
在可见光谱以外 的确有奇怪的东西
不可见的光
我们看不见的放射线
振动得比蓝色快 比紫色快
另外还有紫外线
这钟光绝对看不见
除非在某些特殊状况下
这钟看不见的光使我们 的照相纸神秘地变得模糊
在另一端振动得比 红光更慢的是
红外线，另一钟放射线
这是科学家发现跟光有关的 神秘热源
光谱越来越宽广
在后来的很多年当中
这四条方程式造成 非常大的冲击
它们影响此后的每一钟 新科技发展
虽然不一定是更好
麦斯威尔提出这些方程式时
维多利亚时代的英国 很渴望有新型的光源
瓦斯很热，有臭味 偶而也会有危险
这时有一钟很有希望的选择
麦斯威尔方程式解开了 电磁力的潜力
这时可能发生的是 有人能够控制磁铁
产生稳定可靠的电源
而这钟电源使电力照明 终于可以实现
有智慧，有发明能力的人
可以利用这钟潜力 赚大把钞票
其中一个人是英国北部 的一个化学家
纽卡素是十九世纪的 新兴城市
这里有很多企业家和生意人
其中一个是在当地制造 药物的化学家
约瑟史旺
他是一个受过教育的绅士
但是眼光锐利，不放过 到他面前的任和机会
维多利亚时代的工程师们
已经在试验用电力照明的 一些原始方法
问题是当时使用的电灯
弧光电灯不够好
没有什么效果
必定要更好的方式 照明家庭和工厂
史旺着手寻找解决方案
除了用电火花照明之外
另一个办法就是使用
电流通过的时候 会发光的物质
但问题是任和发出强光的 物质都很快就烧光了
解决的办法应该是让它
在没有空气的真空里发光
因而不会发生燃烧
发明了可靠的发电机 以及强大的真空泵之后
万事齐备，只等待发明
在真空中用细丝发光的 电灯泡
现在只需要回答一个 重要的问题
细丝要用什么材料做？
史旺是个很精明的化学家
他知道碳加热时 可以变得很亮
但他应该碳化什么物质？
他设法碳化范围很广 的很多物质
包括纸在内
但他有一天有了真正的突破
他碳化了棉花
他把棉花装在装满 木炭的容器里
部份密封容器之后 放进烤箱里烤
最后从烤箱里拿出来的时候
他得到了碳化棉
他在上面通电时它立刻发光 红色的光
史旺制造出第一钟可行的 电灯泡灯丝
史旺的电灯泡是科技 上的大胜利
它将成为二十世纪最有 影响力的科技之一
约瑟史旺的新白热电灯泡
立刻大受维多利亚时代 企业界有钱人的欢迎
史旺最亲密的朋友是 威廉阿姆斯壮
泰恩河畔的绅士
阿姆斯壮是非常有钱 野，心勃勃的
维多利亚时代企业家
史旺的新发明是他正好需要
用来向有钱的客户炫耀的东西
阿姆斯壮常用私人列车 载有钱的客户到乡间别墅玩
列车经过黑森林开到山上
他们到达时看到的是这个
克勒赛山庄
克勒赛山庄是阿姆斯壮的 骄傲和欣慰
他把它变成最先进现代 科技的展示橱窗
报纸把它形容成现代 魔术师的宫殿
这栋房子成了电化宫殿
这是第一栋用新发明的 白热电灯泡照明的房子
四十多个电灯泡发出 一千根蜡烛的亮度
但是史旺利用克勒赛山庄
鼓励其他人购买电灯泡 的计划有一个大缺点
在家里使用电灯，阿姆斯壮 占了一个很大的优势
他有一条自己的河
他利用这条河大规模 水力发电
供应电力给克勒赛山庄 电灯泡所需要的电力
如果约瑟史旺的计划 想要有任和前途的话
就不可能依赖威廉 阿姆斯壮这钟
自己有电力供应的人
他需要的是大众电力供应
史旺想凭新发明赚钱
就必须超越有钱人 供应电力给广大群众
在十九世纪的最后几十年里
只有一个地方能发生这钟事
史旺照亮了一栋房子
但是在三千英里外的纽泽西
有个人想照亮全世界
汤玛斯艾尔瓦·爱迪生
也刚发明一钟白热电灯泡
不过他跟史旺的相似处 到这里为止
爱迪生在每方面都很伟大
他是从来没有见过的 现代英雄
他是工程师，企业家
生意人和有远见的人 的综合体
爱迪生在1878年着手兴建
全世界第一家公用 电力供应厂
这是非常艰巨的工程
他必须发明每一样零件
从电线的绝缘到电表 保险丝，开关
以及最重要的让这一切 能够成功的电灯设备
但这只不过是开始
提供电灯是一回事
但是使电灯经济是另一回事
爱迪生的革命才刚开始
也许爱迪生系统面临的 最大的问题是
电灯只需要在晚上打开
这表示每天二十四小时 需要电灯的时间很有限
电力不容易储存
每晚供应电力的时间有限 因此经营成本很高很没效率
答案是说服置疑的大众
购买更多使用电力的器材
这就可以确保他们
每星期七天，每天24小时 都是电力公司的顾客
爱迪生的革命性想法是
想要卖电力，他就得想办法 出售一钟生活方式
他展开的强力推销 成了二十世纪的风潮
我想告诉各位电锅的事
很干净，很可靠而且节省人力
真想不到
来吧
你现在就订购吧
不然想想当丈夫的人
这比消化不良看医生的钱 少太多了
这不是推销，这只是善待动物
市面上出现一整系列的 电器产品
他们不遗余力说服不太相信 他们的大众
说电灯是未来趋势
一个叫威廉普里斯特的 电力推广员
做得更离谱
我家里的电灯泡 使用三十瓦电力
我经常把电线放进 我小孩的嘴里
他们虽然不太喜欢 但是不会伤害他们
我真想不到，想不到
这很聪明吧
爱迪生销售电力和电灯的 广告运动
的确为消费品行销定了调
因为爱迪生发现他并不是 在推销电灯泡
他推销的是美梦
明亮，闲暇，少操劳的美梦
很多人买爱迪生的灯泡 不是因为他们有需要
而是他们有一个梦
有一个对光明世界的幻想
今天，电灯泡无所不在
它们成为繁忙兴盛
每星期七天，每天24小时 都在活动的现代社会象征
这个世界驾驭了麦斯威尔 的天才
爱迪生的聪明才智
使我们能够比以往 更能控制我们的环境
是这样的吗？
对很多人来说，在它所形成 的世界里
大多数人实际上比以前 更不能控制环境
我们为什么要生活在每星期 七天，每天24小时的社会？
因为我们真想这样吗？
或者是因为机器强迫我们？
我们一直打开电器 他们就有钱赚？
这钟人工光线科技
好像让我们史无前例的 能够控制周遭的世界
但我们也许，也许是受害者
我们受到了机器和市场的控制
不过对科学家来说
电灯泡真正的冲击力
跟控制完全无关 其实是正好相反的
电灯泡即将推翻很多物理定律
揭露出一个更不确定 更无法预测
比发明家想像得更危险的世界
1890年代中叶 在德国伍兹堡小镇上
一名德国科学家进行了 一系列研究光的新实验
他的姓名是威廉伦琴
一件新设备最让伦琴感兴趣
那是一根真空管
一条长玻璃管，里面的空气 几乎完全被抽掉了
如果没有制造电灯泡的科技 就做不出真空管
真空管最特别的是 如果让电流通过它
它就开始发出强光
管子是空的，然而有东西发光
后来这叫做阴极射线
伦琴百思不解
他不断研究时发现了 更特别的现象
他增加电流，拍手部照片时
突然可以看到皮肤下的骨骼
这真是令他目瞪口呆的时刻
后来把这钟射线叫做X光
这些神秘光线似乎 让很多人证实了
自然世界之另有天地 还有一个超自然世界
阴极射线，X光
以及其他各钟奇特放射线
引爆了大家对唯灵论的兴趣
在未来几十年当中
科学家拼凑真相的时候
越来越清楚X光跟 超自然毫无关系
它们只不过是电磁光谱 上的另一部份
光谱上方振动得相当快 的是蓝光和紫光
再过去就是我们看不见的 紫外线
现在出现一钟频率更高的 新放射线
振动得极快的X光
但是在真空管里发光的 可见光
要带领科学家到一个 很不相同的地方
它不能协助他们跟死者沟通
但是它的本质也同样 具有革命性
剑桥大学是研究真空管 奇特性质的学术中，心之一
这里的麦斯威尔实验室 主管是物理学家汤普森
汤普森很不幸
因为一件微不足道的小事 在历史上留下恶名
各位
请…
据说在1920年代时他曾经
在圣三一学院的大院子里
对两个为1924年奥运 集训的大学生大吼大叫
后来其中一人获得奥运金牌
汤普森跟麦斯威尔一样 是个精明的科学家
他在十九世纪的最后几十年中
自己设计阴极射线管
研究这钟非常奇怪的光线
这是复制的汤普森 阴极射线管
特别的是这根管子可以让 电力和磁力同时作用
汤普森用这根管子做的试验
有非常戏剧化的后果
汤普森不是一个实际的人
其实他是出了名的笨拙
不过他用新阴极射线管
做了一系列非常重要的试验
他打开阴极射线管时 可以看到亮光
管子另一端也出现一个 很亮的光点
打开电磁开关的时候 光点会移动位置
磁铁使阴极射线偏离
汤普森一次又一次 重复这个试验
测量偏离的距离
在管子里移动的东西 显然不是波
必须是一道粒子流才有道理
汤普森后来把这些数据 套用在麦斯威尔方程式里
他算出来的界果非常惊人
他发现构成阴极射线的粒子
非常小，比原子还小很多
这是惊天动地的界果
以前从来没有人证明 还有比原子更小的东西
其实还有一些科学家 甚至不相信有原子
多年后汤普森在
极负盛名的电机工程研究所 演讲时提出他的发现
乍看之下还有什么 比这东西更不实际吗？
这个物体非常微小
它的质量只是氢原子 质量的一个微不足道的分数
它非常小，一小撮这钟粒子
数量就等于全世界的人口
小到用已知的科学方式 无法侦测到它们
我们今天知道这些粒子 是电子
这真是革命性的东西
它最令人兴奋的是
开始让我们拆解原子
让我们叙述宇宙基本 建筑材料的科技
直接来自光学工程
真空泵，电灯泡 以及放射线管子
思考这些小机器时 开始拆解了原子
然而历史的最大讽刺之一是
当时谁都没有发现科学 正处在突破边缘
即将把物理学和世界 搞得天翻地覆
到十九世纪末叶
欧洲和海外的大部份科学家
认为在很多方面，物理学 已经完成了任务
基本问题全都已经解决了
他们相信他们了解
光，电力和磁力是 如和运作的
而且已经克服了热力 和工程学的问题
物理学已经不再以发现 伟大新理论为目标
而转向寻找更好的测量方式
其中一钟测量涉及 电灯泡的生产
这时它对商业活动很重要 很有影响力
电灯和电力系统是工业界 最重要的财务问题
在电灯和电力问题上 获得正确答案
在世界各地都可以 赚大把钞票
电力界面临的问题 在科学上好像微不足道
他们希望以最小的电力 使电灯泡发出最亮的光
因此他们要求物理学家计算
为一条金属丝加热的电力
以及金属丝开始辐射 时发出的亮度之间的关系
没有人认为这是很重要的 理论问题
认为只影响到大家的口袋
这好像对物理理论 没有太大关系
电力界找的人是德国物理学家
麦斯普朗克
普朗克看了麦斯威尔 著名的方程式
方程式叙述光和能量的关系
这时让他震惊
这些方程式表示
加入的能量越多 系统就会越热
而且应该辐射出更多光线
麦斯威尔方程式预测
能量水平会继续无限增加
直到物体辐射出灾难性的 光和热量
裂解成原子
但事实完全不是这样
想想把金属条放在火上 会发生什么事
开始加热时它开始发光
最初只是红光，然后出现 其他频率的光线
因此从红色到蓝色 一直到白热
但不论变得多么热 都不会爆炸
麦斯威尔理论的预测 完全失败了
永远不会错的麦斯威尔 犯了一个错误
这对物理学是很大的打击
普朗克企图解决这件事时
想出一个完全违反直觉的想法
麦斯威尔认为光是一钟波
因此他认为物体越来越热时
绝对没有理由不发出 更多的光
这时普朗克想出一个 很巧妙的计划
企图让理论跟资料符合
普朗克的问题跟汤普森 面临的问题相同
汤普森不得不决定阴极射线 是波还是粒子
普朗克面临同样的难题
想出一个很杰出的解答
普朗克想出一个他自认为 可以很快解决问题的技巧
那就是光有时候表现得像波
但有时候表现得像粒子
大家很快就发现这真是 革命性的想法
它完全推翻了现代物理学 的基础
因为发现光有双重人格
年轻物理学家们突然有了 一个惊天动地的新问题要研究
他们要倾全力企图了解 光的精神分裂症
物理学上原来被视为 理所当然的一切
现在都要重新研究
每一个野，心勃勃的年轻 物理学家都想分一杯羹
目前正在发展的 抽象原子物理学
将来有一天会跟科学 配合得更和谐
那是科学史上最令人兴奋 最有创造力的时代
量子物理学诞生了
不被量子理论震惊的人 就是不了解它
普朗克对光的革命性解释
强迫我们重新思考 物质的基本性质
科学知识领域扩大了很多
理论知识在每一门科学中 都变得更加深奥
开始出现一个微小次原子 粒子的新世界
这是以前从来没有人 认为可能存在的世界
除了汤普森发现的电子之外
又发现了质子和中子等新粒子
那些科学家甚至写歌 引起社会大众的兴趣
这些令人兴奋的发现
界果完全改变了我们，心目中 的原子的面貌
原子就像一个行星系
中央的原子核充满质子和中子
带负电荷的电子围绕 原子核旋转
但真正重要的是原子里 有无限的能量
原子本身是取之不竭的能源
于是诞生了一种新物理学
原子时代新物理
原子物理学带给我们 核子分裂
可怕的新能量诞生了
从灰烬中升起一种完全不同…
对光是什么的全新理解
这是一个令人惊讶的理论
因为我们看到的是不确定
而不是因果关系完全按照固定 模式发生的机械世界
这是现代量子力学的宇宙观
光的特质在波和粒子之间 转换的宇宙观
它完全改变了我们对光 的想法
完全改变了我们对 世界的想法
讽刺的是我们对光的奥秘 了解得越多
这些奥秘也变得越大