【專題企畫】
天地之光
一切都是光。
－實驗物理學家 尼古拉．特斯拉
對人類來說，光是何等重要的存在。有了光，我們才看得見這個美麗的世界，山川大海、藍天浮雲，全都盡收眼底。 當人類開始懂得生火，火炬所產生的光，驅逐了毒蛇猛獸，也克服了對黑暗的原始恐懼。人類終於發現自己不再受制於大自然，逐漸走向生物鏈的頂端，因而能鼓起勇氣，探索浩瀚未知的世界，研究日月星辰的奧祕。這樣的信心與動力，正是科技文明不斷前進的主因。然而，光究竟是什麼？人又是怎麼應用光的呢？
上古之光
在上古時代，人類就已經知道如何運用光。在距今約三千多年的西周時代遺址，曾出土一種凹面鏡，可以聚集光能產生高溫來生火，稱為「陽燧」。在西亞文化的一些遺址中，也曾發現類似凹面鏡的工具。
出於與生俱來的好奇心，人類開始嘗試理解光的本質。古印度文明認為，「光」是組成宇宙萬物的基本元素。古希臘哲學家則認為，人的眼睛能發射出火元素，接觸到物體後，點燃物體中的「內火」，所以才能看得見東西。傳說當時的數學家阿基米德，就曾經引用這種理論，到海邊「注視」羅馬軍團的戰船，希望利用眼睛發射的火元素讓它燒起來，結果當然沒有成功。後來，阿基米德繼續研究，發現光有直線前進的特性，遇到平面會反射，且入射角等同於反射角，並且從這樣的觀點，發展出三度空間的「透視法」原理。
約同時期的中國，正處於春秋戰國時代，特別具有實驗精神的墨子，則在《墨經》中留下許多對光學的研究。其中一段提到：「光之人，煦若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下。在遠近有端與于光故景庫內也。」這其實就是照相機的「小孔成像」原理，可以說是超越時代的成果，可惜未受後人重視，持續發展研究。
光有多快？
歐洲對於光學的興趣，沉寂了一段時間，直到文藝復興時期之後，人們終於將注意力，從神學轉向科學，這才開始死灰復燃。
當時，科學家普遍認為光速是無限大的，只有伽利略不相信，所以他做了一個實驗。他請一個朋友，提燈籠爬上一座山頂，他自己也提燈籠爬上另一座山頂。當伽利略打開燈籠蓋子的時候，他的朋友只要看到對面山頭有光，就立刻也打開燈籠的蓋子，用這樣的方式來測量光的速度。結果，無論兩人距離遠近，所得到的時間都是兩秒多。因為光速實在太快了，人類肉體的反應時間根本無法精確計算。實驗雖然失敗，但這樣追求科學的精神，還是值得我們敬佩。
十七世紀末，有個叫羅默的丹麥數學家，利用木衛一「伊奧」運行軌跡的時間差，算出光的速度大概是每秒廿一萬公里。這數字雖然離準確值還有一段距離，但也向世人說明了一件事－光速並非無限大。其後，科學家前仆後繼，終於計算出精確的光速，約為每秒三十萬公里。
光是粒子？還是波？
對於光的研究，在十七世紀有了新的突破。西元一六六六年前後，物理學家牛頓利用三稜鏡，將白光分解出彩虹般的色澤－紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，又利用另一個三稜鏡，將彩虹收束成白光。牛頓認為，我們平日所見的光，其實就是由這七種顏色的光所組成，並將之稱為「光譜」。這樣的見解，也成為現代光學的基礎。後來科學家研究發現，其實肉眼可見到的光，只占所有光線的一小部分，其他還有紫外線、紅外線、X射線等不可見光的存在。
然而，光的本質到底什麼呢？牛頓認為光是一種「粒子」，唯有如此才能合理解釋光線直線前進、反射折射的特性。可是當時有另外一派，認為光應該跟水或聲音一樣，其實是一種「波」。雙方爭執不下，各執一詞，互有勝負。這樣的爭論，一直要到十九世紀初才得以解決。一八○三年，物理學家湯瑪士‧楊格在英國皇家學會發表著名的「雙縫實驗」。
楊格如何檢測光是粒子還是波？非常簡單。他把一個光源，射向一張割出兩道狹縫的卡紙，後面放一塊屏幕，用來觀察光線的走向。如果光是粒子的話，穿過狹縫的光線，落在屏幕上，應該會是兩道乾淨而清楚的光。
但實驗的結果，並沒有出現兩道筆直的光，落在後方屏幕的，是明暗相間的條紋，如右圖。這表示光並不是粒子，而是有如兩顆落在水池的石頭，在水面激起了漣漪，向外擴散，互相交會干涉，才形成這樣的條紋。這證明了光並不是粒子，而是一種波。古典物理學對於光的爭論，在此暫時告一段落。
光的多樣性
在楊格的雙縫實驗後，古典物理學界已經認定「光是一種波」的說法，但這樣的論點到了廿世紀竟然出現變化。一八八六年，德國物理學家赫茲發現某些金屬，會跟光發生反應，釋放出電力，就是所謂「光電效應」。現代社會中許多新發明，都是源於光電效應，像是太陽能板、自動門開關的感應器、相機裡的感光器、電晶體、半導體等等。為什麼會有這種現象呢？
一九○五年，愛因斯坦推導出理論和公式，證明光電效應確實存在。愛因斯坦認為，要產生光電效應，光的存在不會是一種波，而必須是以「光子」的形式出現。光子又稱光量子，就是一種粒子。
愛因斯坦的理論，後來在實驗中被認定是正確的，光確實具有粒子的特性。也就是說，光是一種波，也同時是一種粒子，兼具兩種特性，稱為「波粒二象性」。這對一般人來說是難以理解的事。一種物質，怎麼可能同時有兩種屬性？一張桌子，怎麼可能一下子是木頭做的，一下子又變成是塑膠做的呢？
為了確認這一點，科學家繼續進行各種實驗和研究。一九○九年，英國物理學家傑弗里‧泰勒再次進行「雙縫實驗」，但每次只發射一個光子。照理來說，光子不是通過左邊的縫，就是右邊的縫，落在後方屏幕的，也應該會是兩條筆直而清楚的光。可是結果卻出人意表，即使每次只發射一個光子，屏幕上仍然出現互相干涉的波狀條紋。難道光子會分身？可以同時穿過兩道細縫？科學家無可奈何，只能姑且接受這樣的解釋，並且期待更多實驗的佐證。
邁向未知的世界
多年後，科學家重新進行雙縫實驗。這次，他們在中間放一個探測儀器，觀察光子到底通過哪條縫。如前頁圖表所示結果，只要打開探測器，光就會呈現粒子狀態，屏幕上是兩條筆直而清楚的光；關掉探測器，光就會變成一種波，屏幕上產生干涉條紋。
針對這樣的現象，科學家進行一番討論後提出解釋。在微觀的量子世界裡，光呈現波性質或粒子性質，取決於你怎麼觀測它。也就是說，觀察者的意識或意圖，可以影響最後觀測的結果。觀察者身為有意識的主體，有可能不是客觀的存在，觀察者也是這個世界的主動參與者。
有了觀察，才有宇宙；有了觀察，才有這個世界；有了觀察，我們才存在。對於光的本質的研究與探尋，帶領人類前進到一個未知的世界，儘管困難重重，但並未因此而止步。因為我們知道，浩瀚無垠的宇宙，還有著太多奧祕，等待我們去發掘。唯有不斷向前，展開探索的旅程，才能為人類的科技與幸福，開創更多新局。
