作者：夏虫语冰
核心提示：
传统观点认为：太阳电磁辐射波中400~760nm的电磁波，含有亮度和颜色信息。光照过程是亮度和颜色照射在物质上使物质可见，因而被称为可见光。
本文通过对自然现象的解析，试图说明：
1、所有电磁波都具有相同的基本特征，并无特殊的电磁波；
2、所有的电磁波都不可见，可通过其它物理手段间接地被感知；
3、光的本质是电磁波与物质自身发出的电磁波在相互作用下实现“磁光转换”的结果。特定频率的电磁波使物质以特定的亮度和颜色可见，其实质是物可见而不是光可见。
本文仅代表个人观点，特此申明。
（全文共约8千6百字。）
1、序光，是最常见同时又是最神秘的自然现象之一，从神的隐喻到科学分析，经历了漫长曲折的过程，可以肯定地说，人类对光本质的探求一直贯穿着整个科学史。
科学演进到今天，人类对光的应用已经取得了非常大的进步，也极大地促进了人类社会的发展，但是，光究竟是什么？这个纠缠了人类几百年的问题时不时挑战人们的认知，所以我们还需要自问一下：我们真的已经探究到光的本质了吗？
很多事物一旦变成了常识，就很难再引起人们的注意，更少有人去追问一个为什么？这种情况往往出现在看起来平常却又容易被人们忽视的问题上。
举一个非常简单的例子：太阳带给我们光和热，认为太阳“……采用核聚变的方式向太空释放光和热”。这完全符合我们的直观体验：当太阳照耀大地时，我们就感受到了光明和温暖，说明太阳是有亮度和温度的。
但是，从另外一个场景来看，假设有一个真空杯和一个实芯杯，使用时哪个更安全呢？稍微有点生活常识的人都会毫不犹豫地选择真空杯。
一个简单的物理常识是：热需要有介质才能够传导。实芯杯杯体就是介质，所以会烫手，而真空杯因为没有传导热的介质，因此具有隔热的作用，所以更安全。
地球与太阳之间相隔约1.5亿公里，在太阳和地球之间，除了靠近地球表面有几百公里稀薄的大气层以外，其它完全是真空。现在问题来了：太阳的热是怎么穿过1.5亿公里的真空传导到地面上的？如果说真空不能传热，我们站在阳光下明明又能感觉到温暖，这岂不矛盾吗？
你看，我们的体验和书本上的理论都是明确和真实的，就证明它们至少包含了某种正确性，但是把两种现象放在一起考虑，它却是矛盾的，不能自圆其说。问题出在什么地方呢？肯定有哪个环节存在问题。
那么，为什么对这个问题很少有人提出疑问呢？可能就是因为我们太习以为常了，大概从懂事起就知道了太阳带给我们光和热，但并不知道原因是什么，知其然不知其所以然，反正不影响我们享受太阳的光和热。
坦率地说，在我看来不仅太阳热的问题是如此，所谓太阳可见光同样存在类似的问题，这也是我写作此文的原因。
因为后面我们还要涉及到热的问题，所以现在先暂时把它放到一边，回到我们的主题上来，让我们通过多种自然现象来深入地探究一下：光究竟是什么？
2、缘哥本哈根学派有一句名言：先有自然才有人类，有了人类才有自然科学。于是，对自然的研究形成自然科学，对人类社会活动的研究诞生了社会科学。
光究竟是什么？这个看似简单的问题，在历史上竟然使众多的物理大家们产生了长达几个世纪的争论。
经典物理学早期研究有一个特点，基本上都是从一般物理现象出发，通过观察实验、归纳总结等手段，最后得出结论。同样，光的研究也是从现象上来推论光的本质。
以牛顿为代表的微粒派认为：光沿直线传播，有反射、折射、镜面成像、透镜成像等光学现象，所以光的实质是微粒，是单一的、无限小的，具有形状、大小、颜色和其他物理性质。但是，微粒说解释衍射、折射和干涉等现象就比较困难。
以惠更斯为代表的波动派则认为：“光同声一样，是以球形波面传播的”。直到托马斯•杨的“双缝干涉实验”，让微粒说的一统地位开始出现动摇。后来，菲涅耳的波动理论以高度发展的数学为特征，利用干涉理论对惠更斯原理进行补充，在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时，波动理论取得了完全的成功。
苏格兰物理学家麦克斯韦，在总结前人关于电磁学方面研究成果的基础上，建立了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的“麦克斯韦方程组”，被称之为“世界上最美的物理公式”。麦克斯韦方程组以一种近乎完美的方式统一了电和磁，并从这套方程组里推导出了电磁波，然后通过计算发现电磁波的速度正好等于光速。于是，麦克斯韦预言“光是一种电磁波”。
1887年，德国物理学家赫兹经过无数次实验，最后通过其它物理手段证实了电磁波的存在。
1898年，意大利物理学家马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。
麦克斯韦方程组在电磁学与经典电动力学中的地位，如同牛顿运动定律在牛顿力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。
这个时候，光是电磁波已经成了定论。
电磁波具有一些独特的性质，从经典物理学的角度看，明显地不同于粒子。这些性质主要包括波的叠加性、干涉现象、衍射现象等。光是电磁波，所以光也有这些特性，这些特性也是研究光的手段。后来，随着研究的深入，科学家们终于弄清楚了太阳电磁波的全部电磁频谱。
依据其波长和频率进行分类，太阳电磁波粗略分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波，如图1所示。
图1 太阳电磁波谱
你可能有点疑惑，既然都是电磁波，为什么有些叫线，有些叫光，有些又叫波，统一起来不是更好吗，也便于理解和记忆。可能是因为它们是陆续被不同的物理学家发现的，因此造成了名字的不统一。
不管怎样，只要记住它们都是电磁波就可以了。
3、惑其实，关键的问题并不在于叫什么名字，如果你仔细观察，就会发现在所有的电磁波中，位于电磁频谱中段、频率约在400~760纳米的电磁波，在现有的知识框架中它被认为是可见的电磁波，所以又被称为可见光。
有了光，我们就可以看见光明的世界。
在光学发展的早期，对颜色的解释显得特别困难。那么我们是如何看见色彩的呢？在现有的理论框架中，还要从牛顿说起。
牛顿做了一个被后世评为“物理最美实验”之一的“色散实验”。他在著作中记载道：“1666年初，我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色。为此，我把房间里弄成漆黑的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去，当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的色光时，使我感到极大的愉快。”
牛顿通过色散试验，发现白光是由各种不同颜色的光混合而成，他认为不同颜色的色光就是不同颜色的微粒混合与分开造成的。非常遗憾的是，微粒说被波动说替代后，我没有看到一篇关于颜色与电磁波是如何结合在一起的文章，绝无可能是有颜色的电磁波吧？相关文章基本上都是语焉不详，或者直接跳过这一环节，只是告诉你白光可以分解为多种色光。
牛顿的色散实验，是利用每种光在棱镜中不同的折射率，经折射后就显示出不同颜色的光，实验证实了白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫（注）不同颜色的光复合而成，牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。接着又对不同的色光再进行分解，直到不能再分为止，最后只得到了红、绿、蓝三种纯光谱。如图2所示。
图2 色散
随着光学理论的发展，现在我们清楚了色光的混合原理。
红绿蓝三色是不能再分解的三种基本颜色，简称色光三基色，由任一两基色混合就得到了混合色。
如图3所示，红与绿混合得到了黄色，绿与蓝混合得到青色，蓝与红混合得到了紫色，三基色相混合就得到了白色。任一混合色再与另一混合色混合也会得到一种新的颜色，经过色相、明度、饱和度颜色三要素的调节，就可以混合成多达一千多万种颜色。
图3 色光三基色
到目前为止，我们知道了光的实质就是电磁波，并且经过色散实验，我们知道了太阳光是由红绿蓝三基色组合而成的白光。现有的理论告诉我们：当太阳光照射到物体上时，物体吸收了一部分颜色，剩下的颜色就是我们看到的颜色。这样说可能不太好理解，举个例子：我们看见绿色的树叶，是由于树叶的物理特性使它吸收了其他颜色的光，只反射绿色的光，这些光射入视网膜后形成有颜色的图像，我们就看见了绿色的树叶。
总结一下，说了这么多，光的传统观点中只需要记住以下两点：一是光有亮度，二是有颜色，所以被称为可见光。
（注：我们平常用词都是“赤橙黄绿青蓝紫”，这是由于修辞的需要，但它并不科学。由图3可以看出，三基色混合后应该是“红黄绿青蓝紫”。）
4、拆我们都有一个常识，宇宙是由物质组成的。
在经典物理学中，物质是由原子组成，原子又是由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质成分，于是称之为基本粒子。粒子则具有形状、大小、颜色、质量和空间位置等其他物理性质，用于构成更复杂的物质结构，进而构成宏观实体。由于物质具有这些特征，所以我们说物质就是客观存在，是可观察并且是可认知的。
宇宙中除了我们所了解的可见物质以外，还有另外一种存在形式——场，它是一种特殊的存在，看不见、摸不着。关于场的理论比较复杂，没有相当的知识储备是不太容易理解的，但我们可以记住它的基本特点：场虽然是不可见的，但是可以通过其它物理手段就能感知到它的存在。
最明显的例子就是引力场。它是描述物体延伸到空间中对另一物体产生吸引效应的理论模型，引力场是不可见的，它只有通过由物体产生的引力效应来描述，也就是通过间接手段感知到引力场的存在。
还有就是我们都非常熟悉的电磁场，我们手机的无线信号、移动网络都是通过电磁场中的电磁波进行传递。
场概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳，这是当时物理学中一个伟大的创举，正是因为场概念的出现，使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是“近距作用”的思想。
经过物理学家们的研究，现在我们知道：宇宙间至少存在两种物质形式：由粒子构成的物质和由波构成的场。虽然它们都是物理学研究的对象，但它们并不是同一类物质。物质有质量，看得见、摸得着；波有能量，没有质量，看不见、摸不着。
图4
我们再来看一下现行的太阳电磁波谱图，虽然没有统一的版本，但它表达的内容在本质上是一致的。如果你仔细地观察，不论哪一个版本，都会发现在电磁波谱中，对于400~760纳米波段都标示为可见光。如图4所示，是有亮度和颜色、可见的光。换句话说光本身是一种可观察的存在。
图5
图5左为中国天宫空间站宇航员拍摄的地球昼夜交替时的图片，图片上地球一边是白天，一边是夜晚；右为美国宇航局发布的白天时间宇航员在太空作业时的图片。请注意，不论是白天还是晚上，太空深处都是漆黑一片，什么也看不见。但是地球表面和宇航员以及机械臂等都能看得清清楚楚。
图6 丁达尔效应
如图6所示，生活中我们时常可以看到类似这样一种自然现象，日出或日落时分，空气中弥漫着水气或尘雾，当太阳光从树林中穿过时，我们仿佛看到了一条条光线投射过来，就误认为看见了光。其实这种现象叫“丁达尔效应”，也叫做“耶稣光”，是一种物理现象，它是光在传播过程中，光线照射到物质时，发生光的反射和散射，类似的场景还有演唱会上灯光和雨后日落时的太阳光。
图7 "地出"
图7为美国国家航空航天局作品 “地出”，可以清楚地看到，除了地球和月亮具有物质特征的可见以外，宇宙空间一片漆黑。
图8
图8为在室内做的光路实验。两支光源分别发出红光和蓝光，在幕布上形成两个光影（光端），可以清楚地看到，在光源与光端之间的光路上，并没有看见有可见光的存在，更没有看到带颜色的光。
从以上实例中不难看出，现实生活中并没有发现作为物质的可见光存在。
从经典物理理论来看，可见的光也没有存在的依据。
前面说过，凡是物质都有质量，颜色和粒子都是有质量的物质。我们回忆一下牛顿的万有引力定律：任何两个质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的力。该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
仅太阳的质量就占太阳系质量的98.8%，处在太阳系不同距离的八大行星都无法摆脱太阳的引力而固定在各自的轨道上，不用去进行多余的计算都可以知道，任何有质量的物质都不可能脱离太阳表面逃逸到宇宙空间。如果光是粒子或含有颜色的光，就不可能脱离太阳到达地球表面，更不可能达到光速，能够到达地球表面的只能是有能量没有质量的电磁波。
所以准确地说，传统上我们理解的那种有亮度和颜色的光，其实是不存在的。那么，我们感觉到的光究竟是什么呢？没有光我们怎么看到世间万物的呢？
5、解我们知道物质由原子组成，原子由原子核（包括质子和中子）和电子云构成，电子云中的电子在不同轨道上围绕着原子核运动，原子是永恒运动的，它们不停地振动和旋转，同时向外辐射红外线。这种辐射现象我们用肉眼无法观察到，但在夜间可以通过热成像仪将物体发出的不可见红外线转变为可见的热图像，从而观察到它的存在。
在没有外部能量激发的情况下，由于其原子的运动，其温度不会低于绝对零度（-273.15℃）。也正是由于原子的运动，绝对零度在现实中是无法达到，只是理论的下限值。当然，在这种状况下，一切生命形式都不可能存在，世界将会是永恒的黑暗。
一旦有外部能量施加于原子，原子获得能量后将处于激发状态并以电磁波的形式向外输出能量。
太阳是一个包含巨大能量的电磁辐射场，它的影响范围包含整个太阳系，它时时刻刻都在向空间辐射能量，太阳的能量就是通过电磁辐射波以振动场的方式进行传递。地球所接受到的能量仅为太阳向空间总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球的主要能量源泉。可以认为太阳是由很多互不相干的点波源组成的扩展波源，从而，太阳辐射波具有非常宽的频域，其振幅和相位都存在着快速的随机涨落。
由图1所示可知，在太阳总辐射中，根据其辐射波的频率与波长，被划分为不同种类的辐射线，且具有不同的能量和功能。
处在紫外线与红外线之间的波，在传统观点中它被称为可见光，虽然本文认为不存在“可见的光”，但波却是存在的。因为它在紫外线与红外线之间，根据它所处的位置和作用，为了叙述方便，暂且叫它“物外线”，所以，调整后太阳光谱应该是如图9所示。
图9 调整后的太阳电磁辐射波示意图
从图9可以看出，太阳辐射波依据其频率和波长分为很多种，对于各种不同的波，我们不需要了解很多的内容，只需要记住以下两点：一是频率越高，所携带的能量越大，穿透力越强，；二是所有的波都不可见，但可通过与物质的相互作用后形成的各种物理现象被感知到。
由于篇幅的原因，本文就不一一描述，只是选择几个有关的进行介绍。
X光就是大家都非常熟悉的例子。X光虽不可见，但当X射线透过人体不同组织时，被吸收的程度不同，经过显像处理后即可得到不同的影像。
1801 年德国物理学家里特（Johann Wilhelm Ritter，1776～1810）发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线因其波长短，频率高，能量高，穿透力强，能穿透到原子核内部发生作用，对微生物的破坏力极强。例如：细菌吸收紫外线后，引起DNA链断裂，造成核酸和蛋白的交联破裂，杀灭核酸的生物活性，致细菌死亡。所以紫外线常用来消毒灭菌。
红外线是由英国科学家弗里德里希·威廉·赫歇尔于1800年发现。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的位置上放置了温度计测量光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的温度计升温最快。因此得到结论：红光的外侧必定存在人的肉眼无法看见的光线，这就是红外线。
红外线频率较低，能量不够，远远达不到原子、分子解体的效果。因此，红外线只能穿透原子的间隙，而不能穿透到原子的内部，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量。从宏观上看，物质在融化、在沸腾、在汽化，但物质的物理、化学性质（原子、分子本身）并没有发生改变，更不能使原子核内部发生改变，这就是红外线的热效应。
现在我们知道了，红外线主要作用是热效应，这就回答了本文在序言里提出的那个问题：太空中没有传导介质，太阳的热不可能直接传导到地球，而是通过太阳电磁波传导，红外线的热效应与物质相互作用进而使物质产生热量。所以，生活中我们的直观体验就是太阳光是热的。
因为是受太阳电磁波作用引起的现象，可称之为“磁热转换”。
除了红外线的热效应外，“磁热转换”现象在我们生活中接触比较多的还有微波炉。
微波也是一种电磁波，和红外线一样，其本身并不产生热，在宇宙、自然界中到处都有微波。微波炉是将电能转变成微波，以每秒24.5亿次的振荡频率穿透食物，当微波被食物吸收时，食物内的极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）即快速受激振荡，这种震荡的宏观表现就是食物被加热了。
现在，我们再来看看究竟什么是光。
先简单介绍一下共振现象。
共振是指一物理系统在特定频率和波长下，比其他频率和波长以更大的振幅做振动的情形；在共振频率和共振波长下，很小的周期振动便可产生很大的振动，因为系统储存了动能。其振幅急剧增大，运动急剧增强。严格说来，红外线的热效应和微波的热效应也是一种共振现象引起的结果。
位于红外线与紫外线之间的“物外线”，其波长、频率、能量都处在两者的之间，既不能使原子产生大量的热，也达不到原子核内部使其改变物理性质的程度。
当“物外线”作用在物质上时，两者相同的频率产生共振。此共振主要集中在物质原子外层的电子层，并未深入到原子核内部，因此温度并无明显升高。电子受激加速运动并向外辐射能量，此时物质为可见状态，即被称之为可见光。因为是太阳电磁波与物质相互作用引起的现象，可以把这种现象叫做“磁光转换”。
物质在“磁光转换”使物质可见的同时，也在向外辐射部分能量。这种现象通过一种简单地场景可以观察到。
在一个白色平板上放置一个红色的球体，正常光照情况下，仔细观察球体与平板的结合部和球体的阴影，就会发现本来白色的平板上面会发生偏红的现象，球体的阴影部分也会受到白色的影响，这就是物质辐射电磁波互相引起的现象，这种现象也被称为环境光。
“磁光转换”不完全取决于外部电磁波，也与物质的自身发出的电磁波频率有关；不同的物质发出的电磁波拥有不同的振动频率，当与太阳电磁波相对应频率发生共振时，物质就以该频率对应的颜色呈现。
现实中绝对纯的物质并不多见，更多的是多种物质的混合，在发生“磁光转换”时，这些物质就呈现出不同的混合色光，由此我们就看到了色彩斑斓的世界。
物质电磁波与任一单一物外线也可以实现“磁光转换”，此转换不是“共振”的情况下发生的，因此“亮度”偏低，并伴有色光混合现象。例如：用频率为700nm的“光”照射任何颜色的物质时，该物质在可见的同时会发生偏红的感觉。
最理想的“磁光转换”的是纯白物质，它与太阳辐射中的400~760nm“物外线”都发生共振现象，所以看上去“光”最亮。
换个角度理解，所谓的光是物外线作用在物质上，进行“磁光转换”后物质“自身发光”，因而可见。任意两种频率物外线与物质完成“磁光转换”后的亮度都高于单一物外线完成“磁光转换”的亮度。
图10
图10是三基色去除颜色信息后的亮度信息，从图中可以看出，红绿蓝三基色单色亮度最低，任意两基色混合后（黄青紫）的亮度高于基色，当三基色全部混合后为亮度最高的白色。
由于颜色的形成取决于电磁波和物质之间的“磁光转换”，三基色分布不均匀，极易造成偏色（白色不白），电子产品里可以通过调节白平衡进行调整。
相对而言，除太阳外的其它“光源”更容易偏色，偏红的称之为“暖光”，偏蓝的称之为“冷光”，生活中表现在白板上就习惯分为乳白和瓷白。
太阳“光”在中午时分更接近理想白色，早晚的太阳辐射由于受到大气微粒物质的影响而偏红橙色。
图11 红光与蓝光混合成紫光实验
图11所示，不同频率的电磁波作用在白幕上，经过“磁光转换”，分别呈现红蓝两色，两色相交的部分就显示出混合色紫色。
完成“磁光转换”的两个必要条件是：一是要有最低能量的物外线；二是要有（任意）物质，两者缺一不可。只有完成这一过程物质才成为可见，也即是我们以前认为的“可见光”。
一个完整的场景是：当太阳电磁波穿过太空时，太空中没有物质存在，没有产生“磁光转换”和“磁热转换”的外部条件，太阳电磁辐射波又不可见，所以我们看到茫茫的太空是黑黢黢、冷冰冰的。
当太阳电磁波到达地球时，由于地球被大气层包围着，离地表最近的是由空气、水蒸气和悬浮在大气中的固体杂质三部分组成的对流层，其中空气又由氧、氮、氩和二氧化碳等成分组成，此时一部分太阳辐射波与其产生“磁光转换”，并在天空中形成了漫反射，在地面上看到的即是白天。
图12 太阳电磁辐射波传导到地球产生光和热
如果在清晨、日落时分或者雨后云层较多的时候，太阳电磁波穿过云层时被分割成条状，容易形成“丁达尔”现象，这种现象通常被误认为是一种可见的“光线”。这条“光线”的亮度在太阳辐射强度一定的情况下取决于微粒的密度，密度越大，“光线”越明显，在纯净的空间里不会产生这样的“光线”。
太阳电磁波的另一部分穿过云层到达地面，与地表上物质产生“磁光转换”和“磁热转换”，物质可见的同时产生热量，这种过程就是我们日常称之“光”和“热”。如图12所示。
太阳电磁波辐射到地面后，还会在物质间相互反射，这种反射来自于各个方向，所以被称之为漫反射。如图7所示，地球在太空中受太阳照射的那一面可见，背光的那一面不可见。你可以平伸出手掌，对着阳光那面可以看见，另一面同样可以看见，没有死黑的现象，这就是电磁波漫反射形成的现象。
因为如此，不同的色调和影调为我们构成了色彩斑斓的万千世界。
最后，我们可以得出如下结论：
1、所有电磁波只有频率和波长的不同，并无特殊的电磁波；
2、所有电磁波都不可见，但可通过其它物理手段间接地被感知；
3、光的本质是电磁波与物质自身的电磁波在相互作用下实现“磁光转换”的结果。特定频率的电磁波使物质以特定的亮度和颜色可见，其实质是物可见而不是光可见。
图/文：夏虫语冰
Eail：usxfqnym968@163.com
2022.04.06
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