自古以來(lái)，光照亮了人類(lèi)世界，讓世人為之著迷。然而，直有在最近的四個(gè)世紀(jì)中，我們才逐漸揭開(kāi)了光的秘密。直到距今不久的時(shí)期，我們才在科學(xué)技術(shù)的幫助下馴服了光，而這些現(xiàn)代科技徹底改變了我們的生活。至于可見(jiàn)光的表親微波，我們發(fā)現(xiàn)它也不過(guò)是一百多年前的事，而微波在現(xiàn)代通信、導(dǎo)航和醫(yī)學(xué)成像等設(shè)備中無(wú)處不在。我們通過(guò)發(fā)明激光來(lái)馴服可見(jiàn)光也才剛剛六十年。激光射線的非凡特性讓我們獲得了根本性的發(fā)現(xiàn)，那些我年輕時(shí)難以想象的儀器、設(shè)備也被一臺(tái)臺(tái)地發(fā)明了出來(lái)。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，我有幸成為了參與這場(chǎng)知識(shí)大冒險(xiǎn)的一份子。我想通過(guò)描述個(gè)人致力于光的研究的科學(xué)生涯，和讀者們分享當(dāng)一位研究者每次看到一個(gè)能夠給世界帶來(lái)意想不到的驚喜的新現(xiàn)象時(shí)所感受到的快樂(lè)。經(jīng)過(guò)多年的研究，我和我的團(tuán)隊(duì)成功地將幾個(gè)微波光子困在一個(gè)帶有反射壁的盒子里，時(shí)間超過(guò)十分之一秒。通過(guò)讓這些脆弱且難以捕捉的光粒子與由激光束激發(fā)的原子發(fā)生相互作用，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到了光的波動(dòng)行為和粒子行為，展示了量子世界的奇異特性。除了發(fā)現(xiàn)的樂(lè)趣之外，我們還興奮地想到，這項(xiàng)工作有朝一日可能會(huì)帶來(lái)新的應(yīng)用，盡管現(xiàn)在還很難預(yù)測(cè)它們會(huì)是什么。事實(shí)上，每一個(gè)發(fā)現(xiàn)了新的有前景的對(duì)象的研究者，都經(jīng)歷過(guò)類(lèi)似的快樂(lè)和興奮。

在當(dāng)下，人們對(duì)科學(xué)的需求比以往更加緊迫，一件很重要的事情是，讓非專(zhuān)業(yè)的聽(tīng)眾能夠通過(guò)研究者的個(gè)人敘述理解他的動(dòng)機(jī)、他的好奇心的來(lái)源以及偶然性在探索過(guò)程中所起到的作用。在這個(gè)過(guò)程中，驚喜永遠(yuǎn)不會(huì)缺席。同樣重要的是，我們要明白，科學(xué)研究首先是知識(shí)的創(chuàng)造者，它豐富了幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)積累的文化遺產(chǎn)。與其他人相比，研究者們會(huì)以一個(gè)更高的視角來(lái)觀察這個(gè)世界，用牛頓的名言來(lái)說(shuō)，他們是坐在前輩巨人的肩膀上�；�于這一有利位置，他們是讓我們的文明所必需的知識(shí)和理性科學(xué)方法代代相傳的傳遞者。

談?wù)摽茖W(xué)，不僅豐富了我的視野，而且加深了我對(duì)世界的理解的他人的科研工作。我希望與各學(xué)習(xí)階段的學(xué)生和剛?cè)腴T(mén)的研究者們分享我的研究熱忱，讓他們能夠在這場(chǎng)持續(xù)更新的冒險(xiǎn)中，繼續(xù)科學(xué)的事業(yè)。我也希望這本書(shū)能夠引發(fā)那些好奇的普通民眾對(duì)這段歷史的興趣，這段歷史曾經(jīng)深刻地影響了我們看待世界的方式，并賦予了我們強(qiáng)大的行動(dòng)手段和控制能力。我還想通過(guò)一己的見(jiàn)解，讓已經(jīng)知道這段歷史大致輪廓的讀者產(chǎn)生進(jìn)一步的興趣。我在本書(shū)中描述了今天我們對(duì)光的了解，以及我們是如何了解這些的，也談到了我們?nèi)匀徊恢�道的東西，以及我們的子孫后代需要厘清的東西。

對(duì)我而言，想要討論我的研究，似乎就不得不將它置于橫亙數(shù)世紀(jì)的學(xué)術(shù)探索的豐富歷史背景之下。這段歷史，除了光學(xué)之外，還包括了其他所有的知識(shí)流派。弄清楚光是什么這一問(wèn)題，這當(dāng)然是物理學(xué)的范疇，但這項(xiàng)研究也對(duì)其他科學(xué)，比如天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)甚至生命科學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。探索我們的星球，確定它的大小和精確的形狀，我們對(duì)光的理解的進(jìn)步也在其中發(fā)揮了巨大的作用。因此，談?wù)摴饩鸵馕吨�需要喚起所有知識(shí)領(lǐng)域。

越來(lái)越精確的測(cè)量在這個(gè)故事中起到了至關(guān)重要的作用。隨著各種儀器的發(fā)明，對(duì)自然界的觀察真正成為了科學(xué)，儀器讓我們能夠用數(shù)字來(lái)量化所研究的現(xiàn)象，并且以客觀和可重復(fù)的方式、通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)描述它們，首先是距離和時(shí)間間隔，然后是更微妙的量，如力、電荷和場(chǎng)。隨著數(shù)學(xué)、幾何學(xué)和代數(shù)學(xué)的共同發(fā)展，將這些數(shù)據(jù)與理論模型聯(lián)系起來(lái)，在一個(gè)普適性的解釋框架中統(tǒng)一了看起來(lái)明顯不同的各種現(xiàn)象。想要呈現(xiàn)這段歷史，意味著要說(shuō)明科學(xué)知識(shí)是如何在儀器的進(jìn)步和計(jì)算方法的改進(jìn)之間的不斷互動(dòng)中一步步建立起來(lái)的。第一位切割透鏡鏡片并將其組合成放大鏡的工匠，以及制造出第一只精確的擺鐘的鐘表匠，也都是這段歷史中不可或缺的角色。正如發(fā)現(xiàn)復(fù)數(shù)或?qū)��?shù)與積分概念的數(shù)學(xué)家一樣。

向非專(zhuān)業(yè)的大眾介紹科學(xué)并不是一件容易的事。利用圖像和比喻看上去很有吸引力，但是我們要避免讓它們產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。想要深刻理解光是什么，我們必須引入量子物理學(xué)的知識(shí)，這就有可能導(dǎo)致話題朝向神秘主義傾斜的風(fēng)險(xiǎn)。量子物理學(xué)之所以令人困惑，是因?yàn)槲覀儾荒苤苯佑酶泄俸臀覀儗?duì)宏觀世界的直覺(jué)去感知它，但它其實(shí)并不神秘。對(duì)于量子世界的發(fā)現(xiàn)者來(lái)說(shuō)，量子物理以一種合乎邏輯的方式呈現(xiàn)了自己，并引發(fā)了一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論，使我們能夠精確地計(jì)算觀察到的現(xiàn)象，而沒(méi)有留下任何深?yuàn)W含糊的空間。

毫無(wú)疑問(wèn)，伽利略應(yīng)該是最早嘗試以教育的方式向廣大觀眾介紹他的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家之一。在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》一書(shū)中，他向同時(shí)代的那些懷疑和困惑的人們展示了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性。摒棄地球是靜止的且位于宇宙的中心這一觀念，對(duì)于文藝復(fù)興時(shí)期的人們來(lái)說(shuō)，是非常困難的，就像現(xiàn)代人在描述原子和光子所在的不確定世界時(shí)，要從牛頓運(yùn)動(dòng)軌跡的經(jīng)典形象中解放出來(lái)一樣困難。伽利略當(dāng)時(shí)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)是巨大的, 因?yàn)榉磳?duì)宗教教條等同于異端, 這是宗教裁判所所認(rèn)定的最嚴(yán)重的罪行。如今，那些試圖揭示其多種應(yīng)用已經(jīng)給我們的日常生活帶來(lái)了革命性變化的物理學(xué)科中的反直覺(jué)概念的科學(xué)家們，顯然不需要再面對(duì) 17 世紀(jì)物理科學(xué)家們同樣的命運(yùn)了。

然而，我意識(shí)到，在今天，當(dāng)研究人員向非專(zhuān)業(yè)人員傳遞科學(xué)信息時(shí)，所帶來(lái)的危險(xiǎn)雖然不那么引人注目，但卻是真實(shí)存在的。他或她的介紹可能太過(guò)于技術(shù)性或者太簡(jiǎn)單化了。在這本書(shū)中，我試圖避免這些陷阱，以漸進(jìn)的方式介紹光、相對(duì)論和量子物理學(xué)的概念，而不是使用方程式或形式系統(tǒng)。順著幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)的思想和理論的譜系，我將逐一介紹那些困擾著偉大的科學(xué)前輩們的問(wèn)題，我想，隨著篇幅的逐漸推進(jìn)，對(duì)于讀者來(lái)說(shuō)，它們會(huì)變得越來(lái)越熟悉，越來(lái)越容易被理解。

回顧歷史，我們將回溯現(xiàn)代科學(xué)的起源，也讓我有機(jī)會(huì)給大家介紹我心中的科學(xué)英雄，從伽利略到愛(ài)因斯坦，我將提到那些家喻戶(hù)曉的科學(xué)家所做的工作，以及其他一些相對(duì)不知名的人，他們也為這場(chǎng)偉大的冒險(xiǎn)做出了貢獻(xiàn)。本書(shū)并非科學(xué)史專(zhuān)家的客觀專(zhuān)著。在描述這段曲折豐富的知識(shí)史時(shí)，我可能在一些細(xì)節(jié)上有誤。事實(shí)上，這本書(shū)可以被看作我個(gè)人對(duì)幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)關(guān)于光的知識(shí)演變的看法，因?yàn)槲以��?jīng)就是這樣感受它的，而且它曾經(jīng)指導(dǎo)和啟發(fā)了我自己的研究。

在本書(shū)中，光的歷史將與我個(gè)人的研究歷程交織在一起。它分為長(zhǎng)度大致相同的兩個(gè)部分。其中，第一章和最后兩章，涵蓋了過(guò)去的五十年。它們描述了我個(gè)人的研究，以及我所見(jiàn)證的、同時(shí)代科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)。對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有一定了解，并對(duì)光科學(xué)和激光科學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展感興趣的讀者，可以從這幾章開(kāi)始閱讀。本書(shū)的中間部分，即第二章到第五章，通過(guò)介紹17～20世紀(jì)的光科學(xué)發(fā)展全景，呈現(xiàn)了其歷史背景。我展示了光科學(xué)是如何演變發(fā)展并決定性地影響了我們的世界觀的。這些章節(jié)還說(shuō)明了，從現(xiàn)代科學(xué)誕生伊始，在純粹的好奇心驅(qū)使下進(jìn)行的基礎(chǔ)研究與人類(lèi)探索地球、發(fā)展商業(yè)和工業(yè)的活動(dòng)之間就建立了深刻的聯(lián)系。我希望這本書(shū)一方面能夠引起非科學(xué)從業(yè)者們的興趣，而另一方面，對(duì)于那些專(zhuān)家讀者來(lái)說(shuō)，能夠讓他們注意到這一段充滿(mǎn)驚喜的蕩氣回腸的歷史中，那些被忽視或遺忘的細(xì)節(jié)。

我在這本書(shū)中插入了很多圖片，但為了讓讀者的閱讀更加流暢，我沒(méi)有在文中明確提到這些圖片。這些插圖和它們的說(shuō)明可以看作補(bǔ)充資料，可單獨(dú)查閱。此外，我盡可能地讓各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容彼此獨(dú)立，讓它們主要集中在某些專(zhuān)題之上，比如光的歷史的不同階段，或者是我個(gè)人的研究經(jīng)歷。不過(guò)，從一章到下一章之間，有一些過(guò)渡性的提示文字，將整本書(shū)中討論的思想和概念在不同的背景下聯(lián)系起來(lái)。在歷史方面，我的靈感來(lái)自大量文獻(xiàn)，在附錄中被列舉在若干參考項(xiàng)下，其中包括我的研究小組的三部出版物。在本書(shū)的最后，還有一個(gè)按照字母順序排序的人名索引，提到了在光學(xué)歷史中占有一席之地的科學(xué)家們的名字，讀者們可以很輕松地在維基百科上閱讀他們的個(gè)人傳記，這可能是對(duì)本書(shū)閱讀的有益補(bǔ)充。