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第一章 光︰不要相信你的眼睛

有些讀者可能會在戶外的陽光下看這本書，也許是在度假期間的海灘上，或是晴朗週末的花園裡。也可能是利用午休時間外出，透過本書吸收太陽科學知識。無論為什麼想要閱讀本書，你之所以能辨認出每一個字的筆劃、線條，是因為陽光落在書頁上。書頁的白色部分，將很多陽光反射到你的眼睛。有油墨的地方，反彈回來的陽光非常少，因而呈現黑暗的形狀，產生你此時在閱讀的字。

陽光不斷從太陽流瀉到你的書頁，行進了一億五千萬公里1，才抵達這裡。因為發光，我們的太陽才符合「恆星」的定義。太陽系裡所有的行星、衛星、小行星，以及其他的一切物體，就像書頁，不會發光，而是反射了陽光才被我們看到。光持續從太陽發出，是一個重要現象，不只是對於我們的太陽系，也是整個宇宙中的重要現象。我們對宇宙的體驗，乃是透過恆星產生的光來傳達。

我們是在陽光下長大的物種。經過演化，我們的身體適應了利用陽光，我們的演化歷程更與太陽密不可分：眼睛的發育帶給我們視力；皮膚藉由日照合成維生素D，也會形成黑色素，以避免曬傷造成皮膚受損……總之，對於人陽光不可或缺。陽光不僅讓我們能看見，也讓我們的行星變得適合成千上萬種動植物居住。陽光供應我們的食物生長，影響我們的天氣，還能用來發電，驅動現代社會。陽光有的多變面貌令人驚奇，但最重要的是，陽光是我們活著的必備條件。並不是比喻，而是沒有了陽光，我們真的活不下去。光在我們生活中無所不在，而且極為重要，這就引出了一個問題：光究竟是什麼？

光的本質

雖然光如此普遍，很容易被視為理所當然。遮擋光就會投射陰影，於是我們可以知道光是某種……東西。產生陰影就意味著有一個區域缺少了光。光必然是某種形式的物體或現象，可以被我們理解。於是經過一代又一代人的努力，人類一直試著弄清楚光是什麼。

儘管這是個古老的問題，但我們要到近一百五十年，才真正有能力徹底解決「光是什麼」這個難題。在此之前，我們只能研究「光會做些什麼」─觀察到陽光「如何」表現，和知道它「為什麼」會這樣表現，兩者之間相差了一大截。不過，一旦必要的科學基礎到位，看到現象就容易了解原理。就在一六六六年，有個人為此帶來「一線光明」。他發現了關於光的一種新現象。使用一個看來再簡單不過的實驗，用一塊三角柱型的玻璃，就成功闡明了我們擁有的彩色視覺的原理。構想出這個實驗的人，就是傳奇的自然哲學家暨數學家：牛頓（Sir Isaac Newton, 1643-1727）。

望遠鏡的發明只比牛頓出生早了幾十年，雖然還是原始粗糙的儀器，卻已經有人拿來望向天空。例如伽利略，他利用儀器的圓形玻璃鏡片，收集遙遠天體發出的光加以聚焦、成像。這與你眼睛裡的水晶體正在做的事完全相同，也就是收集從本書書頁反射出的光。牛頓針對光的本質的研究，始於他想知道，若讓光通過一塊不是圓形的玻璃會如何。

牛頓遮蔽門窗，讓房間變暗，只留下少許窗縫讓陽光透進來，他拿了一塊三角柱型的玻璃，也就是三稜鏡，放在縫隙間。他以為會看到後方牆壁出現一圈色彩，就像透過望遠鏡看到的那樣。可是他卻發現一道小小的彩虹橫灑在對面的牆壁上，伸展出去的不是圓圈，而是直線。在那一刻，牛頓發現了陽光具有一種全新的特性：可以經由折射而被分解為其組成。更重要的是，他推斷，彩虹的顏色是光本身固有的特性─並不是玻璃以某種方式將光上色。陽光實際上是由一系列顏色組成，結合在一起的時候，看起來是白色。逆轉這個過程，他也證明：第二塊稜鏡可以將彩虹變回一束白光。

有時，在暴雨過後，我們可以看見牛頓觀察到的現象，以最宏偉的規模展現出來。太陽從雲後出現，陽光遇到懸浮在空中的微小水滴，產生類似稜鏡的作用，組成陽光的各種顏色突然散開，產生彩虹。也許，在你閱讀的時候，旁邊就有一杯水。如果有，你可以親眼目睹這個效應。試試看，將水杯放在白色表面，有一束陽光照到的地方，你可以瞥見陽光照進水裡，再從水裡出來時產生的顏色。

有個現象可以鞏固牛頓的理論，無論你使用稜鏡、一杯水，或是懸浮在空氣中的雨滴，彩虹的顏色看起來總是以同樣的順序展開：紅、橙、黃、綠、藍、紫。你看到的書頁之所以呈現白色，是因為它均等反射了所有的顏色。我們周圍之所以有個色彩繽紛的世界，是因為不同的物體對這些顏色反射的強度有所不同。

牛頓的實驗雖然給光的理論帶來了曙光，卻並沒有就此揭開光是什麼。牛頓猜想光是一種物質，由一束束的微粒（corpuscle）組成，光粒子的質量因顏色而異。隨著光從空氣進入玻璃稜鏡，再離開回到空氣中時，不同質量的粒子，行進路徑就會受到不同程度的偏折─陽光產生了「折射」，因而依序梳理出一道道的顏色。

然而，牛頓並不是這時代唯一觀測到光有全新行為的博學之士。

英國博學家虎克（Robert Hooke, 1635-1703），以及荷蘭自然哲學家暨數學家惠更斯（Christiaan Huygens, 1629-1695），都在研究光的本質，而兩人都不認同牛頓的粒子說。他們反對的理由很充分：實驗已證明，兩束光可以互相穿透，卻不會交互影響。倘若光是粒子組成便不該如此，因為粒子可能互相碰撞。但如果光是波動，會互相穿透也就不奇怪了。然而牛頓對光的波動說完全不理會。

虎克是倫敦英國皇家學會的創始元老暨實驗負責人（Curator of Experiments），負責設計儀器和展示科學實驗，並在諸多科學領域貢獻良多。他也不畏引起爭議。虎克先發表了波動理論，過沒幾年，牛頓也發表了自己的光學理論，科學上的歧見，造成兩人之間的敵對競爭愈演愈烈。牛頓的取勝策略十分成功：只要活得比虎克久就可以了；他保留自己對光的完整理論，不公開其中的細節，直到虎克於一七○三年逝世之後才發表。

同一年，牛頓成為英國皇家學會主席。這個機構延續到今天。而我非常感激這點，因為我是以「皇家學會大學研究員」的身分得到研究經費的。倫敦的英國皇家學會，裡裡外外我都非常熟悉，但我注意到沒有任何一處有展示虎克的畫像或雕像，一件都沒有。那是因為沒有任何一件保留下來。既然虎克是皇家學會的重要成員，這點實在非常奇怪。我聽說（但沒有憑據），在牛頓擔任主席期間，他設法處理掉了與已故的虎克有關的每一件東西。

牛頓也比惠更斯來得長壽。惠更斯於一六九五年逝世，那時他已將波動說發展為一套更周延的理論，在他身後繼續流傳。他將陽光想成一種波動，藉由某種未知的介質傳播，類似水波蕩漾著穿過池塘表面一般，惠更斯可以解釋陽光為什麼會有種種表現，而他的理論與觀測結果相符。折射之所以發生，是因為波動最前方的表面（稱為波前）以傾斜角度抵達透明物質，波前接觸透明物質的部分慢了下來，波的其餘部分繼續以先前的速度行進。這就解釋了為什麼波前在透明物質內會改變走向。根據惠更斯的理論，不同的波可以相互穿越互不影響，是因為波只是能量的傳遞，而不是會相互碰撞的物質。