隐秘的彩虹读懂光子

　　电磁波谱有极广泛的范畴，超出人类肉眼的可见范围。这类波谱在现代科技界占有极重要的角色，我们也已经了解，该如何转换这类波谱，化为我们看得到的影像。
　　电磁波谱数，波长各不相同。波长很长的有无线电波，波长可达到建筑物的大小，波长很短的有γ射线，波长比原子核的直径还短。电磁波是由电场和磁场交织构成，一起移动穿越空间，同时彼此垂直振荡。波长愈短，能量愈高。电磁波谱的一端是γ射线，波长很短，强而有力，能够射入实体造成严重破坏。另一端是波长最长、波峰间距最远的无线电波，能量极低，现实世界几乎感觉不到它的存在。
　　光子（photon）是携带电磁能量的基本粒子。光子不具质量，却能够传递能量：这种理念非常微妙。另一种观点却认为，光是一种波，能跨越空间四散传布，两种见解很难兼容。尽管我们的肉眼只能看到电磁波谱的有限范围，其实所有的电磁辐射都可以视为是＂光＂。
　　光子是从原子射出的，原子内的电子（一种环绕原子核运行的粒子）因受热或受到某种能量冲击，冲上较高能量的轨道，随后在落回原有较低层轨道之际，便会释出多余的能量，这时射出的就是光子 。起初施加给电子的能量愈高，电子便会移送上更高层的轨道，当电子落回低层轨道的时候，所释出的光子能量就愈高。
　　然而，不管是吸收或释出能量，都只能以个别封包形式转移，这种分离的能量封包就称为＂量子＂。正是如此，燃烧不同元素的原子时，才会射出特定色彩的光，各具不同的波长（光子能量），因为环绕不同元素原子核运转的电子，排列方式各不相同。
　　低能量的光子（例如无线电波），运行方式像波，而较高能量的光子（例如X射线）便像粒子。这里我们就遇到非常难解的光谱特征。光束果真是一种连续波，或者是一群分离的粒子吗？波长的尺寸变幻无穷，而光子的能量却并非如此。现代物理学已经证实，这两种观点都正确，差别就看我们如何运用和测量光线。
　　医界用X射线已经有100年。短波的射线通过身体，并以摄影胶片感光，骨头和较致密的组织，则在胶片上留下阴影
　　科学家和设计仪器的人都是各依当时所需，采用不同的描述方式来运用光线：当成起伏的波，或是视为像子弹的光子。一切有关电磁辐射的思维方式，都可以用精密的数学运算来验证。波长始终是等于光速除以频率，光子所含的能量也始终与频率成正比，而两者的比则始终等于普朗克常量（Planck＇s constant）。［普朗克常量是德国物理学家普朗克（MaxPlanck，1858 1947）发现的，为纪念他而命名，这项成果预示量子理论的诞生］。普朗克常量和光速似乎都永恒不变，是自然律所规定的固定数值。
　　太空望远镜装有紫外线仪，观测遥远的星系，看出较深层的构造和生命周期。恒星的电磁场能量，少部分为可见光
　　波长 光速 频率
　　能量 普朗克常量x频率
　　我们必须把粒子和波的类比同时放在重要位置，就像小说家奥威尔（George Orwell，1903 1950）在名著《一九八四》中提到的＂双重思考＂。很难想象波会致密到可以冲入原子，只和一个电子互撞，却毫不影响相邻的其他电子，然而X射线波却能够做到。还有更难想象的怪事，光子真的能够弥漫到整个空间变成建筑物尺度的长波？而无线电光子却可以做到这点。
　　在轨道上看到的地球，是被光线照亮的美丽蓝色球体。用红外线和微波的自动仪器，能够拍下完全不同的地球景象
　　按照直觉，这两种现象都不合理，不过对这些现象的数学描述，却是名列人类智慧的美妙结晶，根据这类研究发展出来的技术，在我们的日常生活中不可或缺。从调频收音机和手机，到微波炉、太阳灯、医院的X射线机，还有天文望远镜等都是。只不过若是有人问起，电磁辐射到底是什么东西，我们大多数人仍然所知甚少。
　　无线电广播＂收看＂从深远太空射来的射电波。无垠的宇宙充满了强有力的无线电源
　　电磁波谱的排序为G、X、U、V、1、M、R：y射线（Gamma ray）、 X射线（X-ray）、紫外线（Ultraviolet）、可见光（Visible Light）、红外线 （Infrared）、微波（Microwave）和无线电波（Radio Wave）。（相邻波段有 一定范围的重叠。）波长通常是以米来表示，有时则写成分数，不过为方便起见，通常是以10的乘幂来表示。可见光的波长都是以纳米表示（1纳米等于10＂米）。频率是以波的每秒振动次数来表示（单位为赫兹）。至于X射线和γ射线，通常以所含的能量来代表，能量和频率成正比。