光是如何产生的呢？在回答这个问题之前，让我们先看看身边多种多样的发光物体：首先是日常生活中的灯具：基于金属丝发光的普通灯泡；荧光管；我们之前提过的激光笔；从烤面包机到汽车仪表盘等电子设备上的指示灯；阳光，当然还有星光；在地球南北极地才可以有幸看到的极光；不仅如此，还有萤火虫、萤科虫类以及船尾的磷光[1]等等。这些千差万别的物体是通过什么样的方式产生了一个共同的产物——光的呢？

　　这个问题的答案是，它们都涉及物质——都涉及电荷的转移。当这些电荷加速时，也就是说当它们改变运动速度或者方向时，就会产生光。这是一个简单的物理原理，对它的认识是电磁学理论的伟大成就之一。电场的起源是电荷，比如原子中的电子，其所产生的电场会延伸到整个空间，并吸引像质子一样的带异性电荷的粒子，且这种吸引力会随着其与电子间距离的增加而迅速减弱。正如我在第3章提到的，这是静电产生的力。

　　振**原子与弯曲电子

　　现在假设电子突然运动起来，它周围的场也必定会随之改变，这是因为两者间有着千丝万缕的联系。图25描述了这种电场的变化，它看起来像一个“扭结”。位于电场中的质子并不会立刻感应到这种电场的变化，事实上，从电子发生运动到质子感知到电场变化，这之间有一个时间差。在这期间，“电子发生了运动”这一信息是以光速由电子向质子进行传播的。当质子感知到变化之后，质子会根据电子的运动方向而做出反应：如果电子靠近质子，那么质子受到的电场会变强，从而受到更大的力；如果电子远离质子，则质子受到的电场变弱，从而受到的力减小。

　　现在假设电子来回运动，它周围的电场也会随着这种振**同步发生变化，并且传播到质子所在位置，质子受到这种变化的电场作用发生振**。振**的电场(以及相关的磁场，这里我们不展开讨论)正是我们所说的光。

　　图25a.静止电荷的电场线；b.加速运动电子的电场线。当电子加速运动时，如图中电场线的转折(或“扭结”)所示的电场的变化，会以光速远离电子

　　由于最简单的氢原子只包含一个电子和一个质子，所以我们可以由氢原子入手，理解原子是如何产生光的。首先，让我们考虑一下，当一束光照射在基态原子上时会发生什么。光迫使原子内部的带电粒子——电子和质子——发生运动。但是由于电子比质子轻得多，在给定相同作用力的情况下，电子更容易运动，所以我们可以把质子看做是近似静止的，只考虑电子相对于质子的运动。事实上，电子以光的电场频率振**，并随着电场的变化交替进行加速或减速。

　　这有点像帮孩子**秋千的过程。使秋千**起来的最好方法就是按照秋千的自然振**周期同步推进，也就是说，在秋千每次运动到最低位置时推一把孩子。即便如此，想让孩子在秋千上**得足够高也需要费一番力气。孩子**到最高位置时的加速度最大，而在最低位置处的速度最大。原子内部的电子也是如此，光束的能量被原子吸收，并转变为电子的运动。

　　假设你现在停止推秋千，会发生什么呢？孩子会以越来越小的幅度呈弧线摆动，最后慢慢停下来。同样，原子也是如此。电子逐渐停止振**，并把自身的动能转换为光能辐射出去。这就是光的辐射过程，也是例如霓虹灯、荧光灯和激光笔等众多光源发光的原理。

　　在上面的说明中，我假设原子内部的电子之所以发生振**，是源自一些光束的照射，才导致了光的辐射过程。从某种意义上来说，这就引出了一个问题：最初的这些光是如何产生的呢？事实上，我们可以用其他方法来“激发”原子从而产生光。例如，人们可以简单地通过加热材料来达到这一目的，普通灯泡就是这样一个例子。让电流通过金属丝，金属丝会被加热到很高的温度(有几千摄氏度)。随着金属丝的温度越来越高，电子开始与原子互相碰撞，且碰撞的次数越来越多。这种碰撞激发了原子，也使得电子迅速地加速或者减速。通过这一过程产生的光具有很宽的颜色范围，具体会产生什么颜色的光取决于材料被加热后所达到的温度，而不取决于构成这种材料的原子类型。

　　电也可以通过其他途径产生光。例如，在发光二极管(light-emitting diodes，缩写为LED，常用于显示器的制造)中，通过它的电流或者说是电子流，可以被原子直接捕获。这种产生光的方法比利用热源产生光的效率要高得多。荧光管也是利用电流直接激发原子，但这发生在充满气体的灯管中。不仅如此，许多不同的化学或生物反应都可以释放能量，其中一些能量会以光的形式离开原子或分子。这还可以用来解释萤火虫是如何发光的。

　　正如我们之前提到的，加速度具有两个方面的含义：一个是速度大小的变化，正如之前提到的氢原子中电子和质子速度的变化；另一个则是方向的变化，哪怕速度保持恒定时也一样。加速度的方向变化在汽车转弯时很常见。当汽车转弯时，你被推到车门的一侧或者座位的一侧，并感受到有一种力使你随着车一起转向。当你转弯的速度越大，你感受到的力也越大。这表明你在加速，即使在行驶速度上并没有发生任何改变。

　　当带电粒子经历这种只改变运动方向而不改变速度的运动时，它们也会发出光。想象一下，一群电子被迫做圆周运动(你可以想象成它们被固定在旋转的车轮边缘处)时，由于这个角加速度的存在，它们会产生光。随着电子做圆周运动的速度不断增加，光的波长会变得越来越短，因而光子的能量也越来越大。以这种方式产生的光称为同步辐射，这也是产生X射线的一种常用手段。它还与南北极极光的产生有关：来自太阳的带电粒子进入大气层时受到地球磁场的作用进行螺旋运动从而产生极光。

　　量子光的生成过程

　　以上提到的这些基本机制是所有光源产生光的基础。但是当一些原子以群体的形式进行活动时，它们的行动方式会对最终辐射出的光的特性产生强烈影响。正如我在第1章中所提到的，普通灯泡发出的光与激光笔发出的光截然不同。为了理解这一点，我们需要深入研究原子的结构，因为原子的发光过程并不能完全类比成孩子**千秋的过程。由于原子和分子是量子力学实体，因此对于原子的发光过程，我们需要考虑一下它们的量子特性。

　　就我们目前讨论的问题而言，原子或者分子的量子特性仅仅意味着它们中的电子只能保有固定的能级。如果使用我们的**秋千模型，这就意味着**秋千的最大摆动幅度不能为任意值，相反，幅度被限定为几个特定的值，也就是说它的值是量子化的。更具体地说，秋千摆动的能量来自离散的“小包裹”或量子单元。当你推动秋千的时候，你只能使秋千以一个或者多个量子单元进行摆动。在原子内部，这意味着当电子吸收或者发射出单个光子时，电子的能量只能以上述的不连续单位发生跃迁。与日常生活中的能量标准相比，电子发生跃迁需要的能量非常非常小。把你房间里的灯打开，它消耗能量的速率是每秒60焦耳(Joules)，即60瓦(W)。而灯泡中的原子发射的单个光子的能量大约为10-18焦耳，因此，一个灯泡每秒发出超过1018个光子。

　　图26一个原子吸收光子(a)、自发辐射(b)、受激辐射(c)的过程

　　只要用适当频率的光照射在原子上，原子就会进入激发态，如图26a所示(当然，我们还可以用其他的方式激发原子，例如给介质通电流等)。现在，根据量子理论中电子的跃迁运动可以推论出，当原子中的电子处于任一离散能级时，都是非常稳定的，因而不会主动发射光。电子就好比是放在橱柜中某一层架子上的球，从理论上来讲，它可以通过掉落到下一层架子上来降低能量，但这在实践中是不可能发生的，除非你稍微推一下它，不然球自己是不会滚落下来的。

　　这么看来，量子物理学似乎表明原子是不会发光的，因为你一旦把原子中的电子放在那些特定的轨道上，它们就会一直保持稳态，不会发光。事实上，除非电子处在最低能量状态，还存在一个推力将电子从较高能级跃迁到较低能级，否则是不会发光的。令人惊讶的是，这个推力是凭空产生的。

　　在第4章中，我提到了量子物理学最奇特的特征之一：即使是空旷的什么都不存在的空间，也充满热火朝天的“真空波动”。电磁场中的这些波动可以使原子中的电子跃迁到一个较低能级，并且，由于能级跃迁而产生的能量会以辐射光的形式释放出来。这个原子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的基态，并释放出一个光子的过程，就叫自发辐射(见图26b)。每一个原子都能自发辐射。这一概念最初由爱因斯坦提出来，是为了解释光束与它所照射的物质之间的能量平衡关系。如果原子不发生自发辐射，那么原子就会保持住来自光束的能量。在这种情况下，我们平时到处都能看到的情况，即大部分事物都处于一个与其周围环境稳定平衡的状态，就基本上不可能存在了。

　　爱因斯坦认为自发辐射的核心奥秘就是它是一个随机过程。你不能确切地说出任何给定的原子何时会跃迁。你唯一可以说的是，平均来说，在一段时间(这取决于特定的原子，但是一般来说大约是一万亿分之一秒)内，在一个大的原子集合中，大约三分之二的原子会辐射光子。然而，这种基本随机性的起源一直是个谜，一直到1927年，保罗·狄拉克(Paul Dirac)的量子场理论指出，量子真空波动是这种随机性产生的根源。他说一个根本不包含光子的场可以扰乱受激原子的稳定性，这一观点与我们的直觉相悖。一直到20世纪50年代，兰姆(Lamb)的测量才证明狄拉克的解释是正确的。

　　这意味着，即便是我们在日常生活中习以为常的现象，例如由电视屏幕上的发光二极管(LED)生成图像，其核心也具有由量子力学产生的这种基本随机特性。与之相对，原子受到外界光的照射从而被迫释放能量辐射光子的过程被称为受激辐射。这种将原子的能量回收到光场中的方式没有随机性。这使得激光的产生成为可能。

　　相干性：步调一致

　　当原子和带电粒子各自“随意运动”时，如果数量较多，那么它们辐射出的光就会是一组不协调的波[2]。即使是尺寸小到只有1毫米的发光二极管(LED)，里面也有大量的原子，所以这种情况是很常见的。

　　这种发出不协调光波的辐射有一个特征，就是每个原子都会随机发射光子，与周围的原子在做什么无关。因此，光是向各个不同方向辐射的，且光子会在不同的时刻被发射出来。实际上，辐射过程的随机性表现在原子所产生光强度的随机性上。

　　假如将一个光子探测器放在灯泡前面，我们可以看到探测器输出的电流非常嘈杂，这是因为照射到探测器上的光的强度变化快速且随机，说明在每个时刻到达探测器的光子数也是随机的。

　　如何才能使原子步调一致，从而使光波具有相干性呢？我们可以回想一下之前的类比：想象有一些秋千，且每一个秋千的摆动频率都是相同的。这些秋千开始进行随机摆动，那么就会出现以下两种情况：第一种情况是这些秋千的摆动是不同步的，即在任何时刻，各个秋千都会运动到其固定轨迹上的不同位置。第二种情况则是这些秋千的摆动是同步的，即相邻秋千间的轨迹差异是固定的，就好比足球比赛中场上观众按照顺序依次站立和坐下形成的人浪。在第一种情况下，从这些不相干的原子发出的光就像灯泡或者发光二极管发出的光，这种光是不相干的。在第二种情况下，原子们产生一致的振**，它们产生的光以一种相干的形式发出，所有的光子都往同一个方向辐射。这就是受激辐射过程中会产生的情况(见图26c)，它是激光器的基础。

　　激光

　　激光器也许是20世纪光学领域最重要的发明。这个设备产生了非常有用的光束，革命性地改变了光的应用范围和性能。激光器可以作为一个特定的照明光源使用——例如在显微镜和光谱学中，不仅如此，还提供了一种能将大量能量沿特定路径引导到特定目标上的手段，从而控制物质的动力学。这类应用的一个极端例子就是用激光驱动原子聚变，使得新形式的核能得以利用，从而提供大量的能量。我们将在第7章对其进行讨论。

　　激光器包括一个光学放大器，也被称为增益介质，其原子通过受激辐射产生光。它被放置在两个反射镜(可能还有其他光学元件)所组成的光学腔中。随着原子不断地发射光子，光学腔内的光子数会逐渐增加，直到原子释放的能量与由反射镜从光学腔泄漏出来的能量达到平衡。说得更详细点，当放大器被接通时，从放大器辐射出去的光会被光学腔末端的反射镜反射回来，这就进一步刺激了受激原子的辐射，从而使光学腔内的亮度增加。在另一端的反射镜处，一部分光作为有效输出从腔中透射出去，一部分光则返回增益介质继续激发原子产生光子。当光通过放大器进入光学腔的速率等于光通过镜子透射出去的速率时，我们就说激光器处于阈值。超过这个阈值，放大器增益的任何增加(原子进入受激状态的速率)都会导致腔内强度的增加，从而导致输出光的增加。

　　光学腔对于激光的颜色有一定的限制。结果表明，获得最大增益的频率是那些在每次往返过程中都会发生相长干涉的光波所对应的频率。这意味着在腔内往返一次的长度应该等于半波长的倍数。满足这种谐振条件的频率即符合谐振腔模式。

　　激光器之所以重要，是因为它们发出的光是相干的：所有的光子都以相同的颜色朝着大致相同的方向运动。其中运动方向由光学腔决定，而颜色则由增益介质中的原子和光学腔共同决定。这就使得激光是以激光束的形式存在的，它与你想象中的“光线”非常相近。它在传播过程中仍然会因为衍射而发散，但是其发散程度已经微乎其微。这种特性也意味着激光可以用透镜或者平面镜聚焦成一个特别小的光斑。

　　除了相干性之外，与灯泡发出的光相比，激光的第二个优势是它的颜色更纯。换句话说，激光发出的光波长范围很窄，而灯泡发出的光的波长范围特别广。激光的光强度特别稳定(光探测器的探测结果中噪声很低)，可以连续发射或者作为光脉冲进行发射。

　　激光可以聚焦成非常小的光斑，这一能力使得它在显微镜技术中得到了各式各样的应用。例如，通过扫描在显微透镜焦点处目标物体上的激光光斑，并且检测从物体散射或者重新辐射出的光，可以构造出物体的三维图像。这个方法对于观察动物组织非常有用，这类光学显微镜在生物医学方面有着广泛的应用。

　　激光在制造业中的许多应用也是利用了这一特性。例如标记、切割、钻孔或者焊接金属等操作，都要求短时间内在金属的较小区域上聚集能量。高功率激光器可以产生以脉冲形式呈现的相干光束，聚焦能力强，因此成为这些材料加工操作的理想选择。

　　由于这些特性，激光在医学方面也得到了很多应用，这次涉及了皮肤、牙齿和头发等材料，常见如激光矫正视力和激光牙科等。激光也可以去除文身，利用激光加热皮肤里的文身墨水直到其被完全破坏。激光也可以除毛——但很可惜的是激光并不能反过来让毛发再生。其他一些人们所熟悉的设备，如CD、DVD、蓝光光碟(Blu-ray Disc)和一些计算机磁盘存储设备，也都是利用了激光的聚焦性能卓越这一特性，使得材料能够储存密度非常高的数据。

　　激光的颜色可以非常纯，因而可以利用光谱法来区分不同混合物中的原子和分子种类。正如第1章所提出的，不同的原子甚至不同的分子，由于它们的结构不同，因此具有不同的吸收和辐射光的特征频率。延伸一下我们本章中提出的类比，将这些原子和分子比作秋千，那么这些秋千中连接座椅的绳子长度不一，因此，这些原子或者分子的固有振**频率由它们在混合物中的组合方式所决定。

　　事实上，每个原子和分子都有不同的辐射和吸收的频率范围，对应着不同的电子构型的激发。这些频率范围通常位于可见光光谱的蓝光区域，但有一些分子可吸收的光的波长要短得多，是人类不可见的。许多分子也可以吸收比可见光的红光波长还长的光。这种区别来自构成分子的原子核之间的振动。由于原子核比电子重得多，所以它们倾向于以更低的频率振**。这组频率相当于分子的一种“指纹”，可用来确认分子类型。

　　当然，用这些“指纹”所确立的目录在化学中是很重要的，因为通过它可以识别出化学反应中所涉及的不同元素。它也被用于分子生物学；甚至在细胞生物学中，可以通过它来观察特定的标定分子，从而研究分子的运动。这种“指纹”对于天体物理学也相当重要，它可以确定恒星、星系、星云中存在的元素。在大气物理学和气象学中，则可以遥测污染物和颗粒。这种监测为评估气候变化的影响和成因方面提供了关键数据。

　　通过组合几个不同激光器所发出的激光，例如一个发出红光，一个发出绿光，一个发出蓝光，那么就有可能制造出一台激光投影仪。根据电脑或者互联网输出的视频信号来改变各个激光信号的强度 ——也许可以通过液晶单元的方式实现——那么色彩鲜艳、高饱和度的电影就可以投射到屏幕上。红、绿、蓝这三色光的组合足以构成一个完整的调色板，而激光可以在屏幕上产生非常明亮的图像。

　　X射线

　　当光的波长非常短，属于光谱的X射线区域时，就会产生一种特定的光谱。X射线的光子能量很高，不仅可以激发最外层的电子，甚至能激发原子中被束缚得最紧密的电子。这意味着X射线可以用来观察原子和分子的核心，并了解它们所处的环境，由此，我们就可以改变电子结合能[3]。X射线的吸收光谱技术在材料研究中有着广泛的应用，从检测微量污染物到研究玻璃的结构。如第3章所述，X射线衍射法也被用来研究晶体的结构。当X射线的波长接近于晶体中原子的间距时，晶体就充当了“衍射光栅”，使X射线向离散的方向散射。通过监测相机上的衍射图样，利用先进的反演算法重建高度复杂的晶体的三维结构。从分离出的生物和化学分子中提取特征，确定可能的新分子结构，对比进行设计，从而实现某一特定功能，这在现在已经是一个常规的流程。

　　同步加速器可以为这种光谱技术提供最好的光源。为了产生符合要求的具有短波长的X射线，同步加速器必须产生高能电子束，并且在一个环形轨道上对它进行加速。随着电子的加速运动，实验站会捕捉到闪烁的光，这导致了短暂的X射线暴，可以用于衍射成像。例如英国哈维尔的“钻石光源”1(Diamond Light Source)，电子束在一个超过半千米长的环内被加速至超过十亿伏特。下一代X射线光源正在使用线性粒子加速器来制造，这种加速器可1位于英国牛津郡，是英国第一台第三代同步辐射光源。以产生极其明亮的X射线光束。如图20所示的X射线衍射图就是用钻石光源拍摄的。

　　超短光脉冲

　　激光也能够以短脉冲的形式发出，方法不止一种。能够产生最短光脉冲的方法称为锁模法。锁模法要求增益介质具有较大的带宽，也就是说，它可以在比较宽的光谱范围内对光进行放大。这使得光学腔内多个不同种类的激光都可以获得增益。如果让这些不同种类的激光具有相同的相位，那么拥有不同频率的光波将在光学腔内叠加形成单个脉冲，并且在两面反射镜之间来回反射。脉冲有多短取决于锁定的频率的数目——频率分布的范围越宽，脉冲越短。

　　超短激光脉冲的获得使得时间分辨光谱技术成为可能。这种技术让我们得以利用闪频仪看到事物是如何随着时间变化的。利用光来“定格”快速运动的这一想法，可以追溯到19世纪末埃德沃德·迈布里奇(Eadweard Muybridge)的工作。他萌生了利用快速照相机快门来拍摄骏马奔跑的想法。由于马的腿移动得太快，人眼无法进行分辨，以至于当时还无法分辨马在跨步的过程中四条腿是否在某一时刻同时离地。为了解决这个问题，迈布里奇沿着跑道设置了许多相机，每一个相机快门都由一根横跨于跑道的线所操控，当马奔跑经过这些线时就会依次触发快门。这使得他能从马的反射光中提取出一个很短的光脉冲，这种光脉冲持续的时间比马腿移动的时间还要短。他这项研究的目的与成果就是告诉他的研究资助者利兰·斯坦福(Leland Stanford)，在马奔跑的过程中，马的四条腿在某一个瞬间可以同时离开地面。

　　传统相机的机械快门可以很快速地关闭，但是速度仍然不够快，因此仍然无法观察到某些形式的动物运动，例如蜂鸟翅膀的扇动。至于一些更快速的物理过程，例如爆炸发生在千分之一秒的时间尺度上，这么短时间内发生的变化是无法用传统相机捕捉到的。为了解决这个问题，麻省理工学院的哈罗德·埃哲顿(Harold Edgerton)在20世纪50年代发明了一种基于光学开关的新型非机械式快门。他可以用这种装置拍摄爆炸事件的静态照片。

　　这些开关我们可以称之为“被动”仪器，它们在打开状态时有一片允许光通过的空间，所以这种设备适用于照明良好的物体(例如沐浴在加利福尼亚阳光下的马)或者是本身就发出大量光的物体(例如爆炸)。我们可以想象一种“主动”的仪器，它可以产生短的光脉冲来照亮一个移动的物体，例如照相机的闪光灯所发出的光脉冲。与物体移动所需要的时间相比，一道持续时间更短的光照射在物体上时，就可以观察到某个瞬间物体定格住的图像，即使快门的速度比物体的运动速度要慢。第二个闪光会定格稍后的运动图像，依次往后推，这样就可以获得物体运动的动图了。

　　将在同一事件的重复实验中拍摄的序列帧组成一部电影可以说明运动对象的快速变化，即使其变化的速度已经远远超过人眼的识别程度。确实，这些稍纵即逝的事件竟然能够通过这种方式被观察到，真的很令人惊叹。埃哲顿于1931年发明了“频闪仪”。他的一些最具代表性的图像，例如子弹穿过苹果或者扑克牌(见图27)，都是用它拍摄的。

　　图27频闪仪记录下一张图片，显示了运动中的子弹被定格的瞬间

　　使用现代脉冲激光作为“闪光”，不仅可以观察到运动的子弹定格的瞬间，还可以观察到参与化学反应的分子中原子的运动[因为这一发现，1999年的诺贝尔化学奖颁发给了艾哈迈德·泽维尔(Ahmed Zewail)]，甚至能看到在原子核周围以更快速度运动的电子。这些运动的时间尺度小得惊人。对于分子来说，它的时间尺度小于1秒的一万亿分之一(100×10-15秒，即100飞秒)。而对于原子内的电子来说，其时间尺度为100×10-18秒(100阿秒)。飞秒化学[4]和阿秒科学[5]都是研究光和物质相互作用的前沿领域，我在第7章将会作进一步讨论。

　　[1]当波浪或者船只扰动了生活在海水中的某些微小浮游生物时，它们会发光。因此，这种磷光其实是一种生物发光。

　　[2]例如波的方向、相位不一致等。

　　[3]电子由被束缚状态转移到无穷远时所做的功，可以用来衡量电子被原子核吸引的紧密程度。

　　[4]研究飞秒时间尺度内的化学反应过程和机理的一个领域。

　　[5]阿秒时间尺度上的科学研究。