光的简史 —— 从宇宙大爆炸到今天

引言与背景  

"神说，要有光，就有了光。神看光是好的，就把光和黑暗分开了。"我敢肯定，对《创世纪》中开头这两句话，我们大多数人都很熟悉，而且无论你信不信，事实依然是，我们这个世界确实有黑暗和光。不过光是什么? 光从哪里来? 它是怎么产生的? 它未来会是什么样?  

这些问题都很好，但在本文中，我不想一一回答。我只想回顾一下光的简史，从大约 140 亿年前到今天。为什么从 140 亿年前开始呢? 因为我们知道，根据美国航空航天局威尔金森微波各向异性探测器 (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe --- WMAP) 的探测，140 亿年大约就是宇宙的年龄。该探测器用来以精细的准确度探测宇宙，检测来自最遥远的宇宙深处之微波，那里就是宇宙大爆炸本身形成的那个正在冷却的火球。当然，我们自己的太阳系 (包括太阳和地球) 要比宇宙本身年轻得多，年龄仅约 45 亿年。因此，地球上光的主要来源是太阳。后来，大约 40 亿年前，月亮形成了。没人准确知道月亮是怎样形成的，尽管有 4 个主要的假设，即融合、捕获、共同形成和大撞击 (如需更多有关这些假设的信息，请见维基百科)。然而，不管月亮是怎样形成的，通过将太阳的光子反射回地球表面，月亮在夜间为我们提供了一个额外的光源。 

人们普遍认为，地球上出现人类 (直立人) 的时间大约在 100 万年之前，而 100 万年在宇宙的银河中只不过是一眨眼的功夫!  显然，太阳是这些早期人类的主要照明光源，因为直到很久以后，才有了人造照明光源。实际上，很多科学家认为，有无可辩驳的证据证明，大约 12.5 万年以前，早期人类创造了可控制的火。也就是，人类造出了火把，而且火把成了第一种人造光源。然而，直到 1 万 7 千年以前，史前人类才用灯来照明。这些灯通常是用贝壳、岩石或动物角做成的，里面装入动物油或植物油作燃料，并使用一种纤维灯芯。又过了 1 万年，这些灯的燃料才包括了橄榄、坚果、芝麻或鱼油。在接下来的 5000 年中，这些灯使用的材料又经过了很多次变化。然后，大约在公元前 500 年，毕达哥拉斯提出了光的"粒子"理论。该理论假设所有可见物体都会发出稳定的粒子流，这些粒子轰击我们的眼睛。他又进一步提出，"光由射线组成，这些射线像触须一样，射线从眼睛到物体以直线传播，当这些射线触碰到物体时，就获得了视觉。" 

直到公元 400 年，照明领域的下一次进步才出现，即发明了蜡烛。在接下来的 1400 年间，蜡烛成了主要的照明光源。然而，对现代照明具有重大意义的重要发现出现在 1666 年，当时才 23 岁的艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 做了他著名的棱镜实验。他注意到并记录下来，阳光是白色光，其中包含光谱的所有颜色。类似地，1752 年，本杰明·富兰克林 (Benjamin Franklin) 用风筝做了他的著名实验。他发明了避雷针，并解释了正负电现象。本杰明·富兰克林的工作具有重要意义，大约 100 年后发明白炽灯泡时，利用了他的发明和原理。接下来，到了 1792 年，威廉·默多克 (William Murdock) 通过给煤加热产生气体，并用该气体给他在英国康沃尔郡的家和办公室照明。这是第一次将气体作为燃料，产生了人造光。之后，在 19 世纪初，发现了天然气以后，在家庭、办公室、工厂和路灯中，采用气体照明才成为主流。

1877 年，托马斯·爱迪生 (Thomas Edison) 对电力照明产生了兴趣并做了实验。一年以后，在朋友的帮助下，他创建了爱迪生电灯公司 (Edison Electric Light Company)，公司的目标是："拥有、制造和经营用来通过电产生光、热或动力的各种不同装置，并提供这类装置的使用许可。"尽管爱迪生没有发明采用灯丝的电灯，但是他确实将理论转变为一种切实可行的形式，而且是首批成功地经销白炽灯的其中一要员。第一项涵盖白炽灯的专利实际上是由亨利 • 伍德沃德 (Henry Woodward) 和马修 • 埃文斯 (Matthew Evans) 于 1874 年提交的，大约比爱迪生开发电灯早 5 年。不过，也许德国化学家 He