【深造物理】光是甚麼？從彩虹到量子光子的通透導覽

在香港，夜晚的天際線、街角的LED招牌、手機屏幕的亮光、甚至早上窗邊的一道陽光，都是「光」在我們生活的不同身分。光看似理所當然，但當我們追問「光到底是甚麼？」這條問題會把你帶到物理學的核心：從電磁學、量子力學，到相對論，光把自然界的基本規律串連起來。這篇文章會以貼近日常的語言，帶你由生活經驗出發，走到現代理論的前沿。

光到底是甚麼？電磁波與光子

光有兩個等同的面貌：一是波，一是粒子。

電磁波(Electromagnetic wave)：光是電場(Electric field)與磁場(Magnetic field)互相垂直、在空間中傳遞的波動。這由麥士維方程(Maxwell’s equations)統一描述，並預言光在真空的速度是常數c≈3×10^8 m/s。
光子(Photon)：在量子世界，光以一份一份能量包的形式存在，每份叫光子，能量E = h·f（h是普朗克常數Planck constant，f是頻率frequency）。光子沒有靜止質量(rest mass)，但有能量與動量，能對物體施加壓力。

這不是「二選一」，而是互補。視乎你做的實驗，光會呈現波動性(干涉interference、繞射diffraction)或粒子性(光電效應photoelectric effect、單光子計數)。這種「波粒二象性(wave–particle duality)」是近代物理的關鍵觀念之一。

光譜：不只肉眼可見的「七色」

我們肉眼能見的只是電磁波的一小段，約400–700納米(nm)。但「光」在物理上通常指整個電磁波譜(electromagnetic spectrum)。以下以日常例子串連各波段：

波段	波長(約略)	典型來源/用途	日常例子(香港)
伽瑪射線(Gamma)		高能核反應、宇宙射線	醫學放射治療(受控條件)
X射線(X-ray)	0.01–10 nm	穿透成像、材料分析	醫院X光檢查
紫外線(UV)	10–400 nm	消毒、螢光激發	太陽紫外、檢驗鈔票螢光
可見光(Visible)	約400–700 nm	人眼視覺	天空藍、彩虹、LED招牌
紅外線(Infrared)	0.7 μm–1 mm	熱輻射、遙控、感測	遙控器、熱像儀、人體散熱
微波(Microwave)	1 mm–30 cm	通訊、雷達、加熱	Wi‑Fi、微波爐、雷達测速
射電波(Radio)	> 30 cm	廣播、長距通信	FM/AM廣播、海事通信

從天空的藍色到你的手機訊號，本質上都是同一種東西：電磁波，只是頻率與應用不同。

光速、介質與相對論的底線

真空中的光速不變(Invariance of c)：無論你怎樣移動，測到的真空光速都一樣，這是狹義相對論(special relativity)的核心前提。它界定了宇宙中資訊傳遞的最快速度。
在介質中折射(Refraction)：光在玻璃或水中看似「慢了」，用折射率(refractive index) n 描述。這反映了光與物質反覆相互作用造成的有效傳播速度變化，但不違反相對論的因果律。
相速度與群速度(Phase vs Group velocity)：波峰傳遞的相速度可以大於c，但承載能量與資訊的群速度群不會超過c。
切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)：帶電粒子在介質中的速度超過該介質的光速(但仍小於真空c)時，會發出藍光，像「光學音爆」。

光與物質如何互動：從反射到螢光

吸收(Absorption)與發射(Emission)：原子/分子能級是量子化(quantized)的。當吸收特定能量(頻率)的光子，電子可躍遷到更高能級；再回到低能級時會發出光。這形成譜線(spectral lines)，是天文學判斷恆星成分的關鍵。
反射(Reflection)與折射(Refraction)：光遇介面會部分反射、部分折射，遵守斯涅爾定律(Snell’s law)。鏡面反射使我們看見清晰影像；漫反射(diffuse reflection)讓紙張看起來「白」。
散射(Scattering)：小顆粒對短波更有效的瑞利散射(Rayleigh scattering)令天空顯藍；較大顆粒的米氏散射(Mie scattering)讓霧看起來泛白。
繞射(Diffraction)與干涉(Interference)：光遇到小孔或細縫會擴散、相互疊加出明暗條紋。日常的CD/DVD光碟、油膜彩紋都是這效果。
光電效應(Photoelectric effect)：光能「打出」金屬表面的電子，證明光能量是一份份光子(E=hf)。這是量子論里程碑。
螢光(Fluorescence)與燐光(Phosphorescence)：吸收高能光(如UV)，再以較低能量的可見光放出；燐光因禁戒躍遷(forbidden transition)而延遲得更久。

顏色是物理也是生理：我們如何看見

顏色不只由光決定，也由眼睛與大腦詮釋。

視錐細胞(Cones)與視桿細胞(Rods)：我們有三類視錐細胞(約對應紅、綠、藍)，負責日間色彩；視桿細胞在暗處更敏感但不分色。
同色異譜(Metamerism)：不同的光譜組合可能被感知為同一顏色，所以LED與日光都可讓白紙看「白」，但在攝影或藝術繪畫中效果可能不同。
色溫(Color temperature)與顯色性(CRI)：「暖黃」與「冷白」是光譜分布的差異。選燈泡時，除了亮度(流明lumen)，色溫(K)與CRI也影響看物件的真實感。

偏振、雙縫與單光子：波粒二象性在你眼前

偏振(Polarization)：光的電場振動方向。偏振太陽眼鏡可減少水面反光；LCD螢幕內部就用偏振片控制亮暗。
楊氏雙縫(Young’s double-slit)：兩道狹縫讓光波疊加出干涉條紋。即使一次只放出一個光子，久而久之條紋仍會出現，顯示每個光子以「機率波」方式穿越，再在屏幕上「塌縮」成一點。
相干性(Coherence)：雷射(Laser)的單色性與高相干性讓干涉條紋清晰；日光因為多頻與隨機相位，干涉難以維持。

光攜帶能量與動量：從太陽帆到光鑷

能量與動量：光子能量E=hf，動量p=h/λ。雖無靜質量，但有動量，故可施加「光壓(Radiation pressure)」。
太陽帆(Solar sail)：利用光壓推進航天器。雖力很小，但在真空中持續加速，長期可達顯著速度。
光鑷(Optical tweezers)：以高度聚焦的光束用光壓與梯度力，牢牢「夾住」微米尺度的微粒與生物分子，為生物物理帶來革命性工具。

光與熱：黑體輻射的故事

任何溫度高於絕對零度的物體都會發出電磁輻射，稱為熱輻射(thermal radiation)。理想化的黑體(blackbody)能完全吸收與放出輻射，其光譜只取決於溫度。

普朗克定律(Planck’s law)：解釋了黑體輻射的光譜形狀，終結「紫外災難」。
峰值位移(維恩位移，Wien’s displacement)：物體越熱，輻射峰值越往短波移動。太陽表面約5800 K，峰值落在可見光附近，所以日光近似「白」。
宇宙微波背景(CMB)：溫度約2.725 K，是大爆炸留下的微弱「光」，以微波形式充滿宇宙，為宇宙學提供關鍵證據。

光在天文學的角色：讀懂宇宙的訊息

光譜學(Spectroscopy)：分析恆星與星雲的吸收/發射線，推斷化學成分、溫度與密度。
多普勒效應(Doppler effect)：光源遠離時光譜紅移(redshift)，接近時藍移(blueshift)。用於測量恆星擺動以偵測系外行星、或測量星系運動。
重力透鏡(Gravitational lensing)：光子沿時空彎曲的路徑前進，經巨大質量天體時被偏折，形成放大與多重影像，有助觀測遙遠星系與暗物質分布。
多波段觀測：從射電到伽瑪，各波段互補，才拼出宇宙全貌。像近期的太空望遠鏡，常跨多個波段協同觀測。

從玻璃纖維到手機：光與資訊科技

光纖通訊(Fiber optics)：光在玻璃纖維內以全反射(total internal reflection)傳播，損耗極低。透過波分多工(WDM, wavelength-division multiplexing)把多個顏色(頻道)的雷射疊在一根纖維，大幅提升頻寬。香港到海外的海底光纜，就是以光「載訊息」跨洋。
調變與檢測(Modulation & detection)：資訊透過調整光的強度、相位、頻率或偏振來承載；在接收端，光電二極體(photodiode)把光轉為電流。
延遲與極限：光在玻璃中的速度約為真空的2/3，跨洲通訊的往返延遲主要由距離與介質光速決定，這是物理極限，不是伺服器「偷懶」。

雷射與LED：兩種「造光」哲學

雷射(Laser)：受激放射(stimulated emission)使大量光子以同頻同相位放出，產生高相干、低發散的光束。應用包括條碼掃描、光纖通訊、手術與精密加工。
LED：電子在半導體能隙(bandgap)復合放光，效率高、壽命長。不同材料與結構調出不同顏色，白光LED通常結合藍光晶片與螢光粉。
顯示科技：手機與電視的OLED、Mini-LED、Micro-LED，分別在發光機制、亮度、黑位對比與色域覆蓋上取捨。

相對論與光的「彎路」：引力如何影響光

引力紅移(Gravitational redshift)：光離開強引力場時頻率降低(紅移)，這是時間在不同引力勢中流逝速率不同的表現。
光路彎曲：在廣義相對論(general relativity)裡，光沿著彎曲的時空測地線前進，靠近大質量天體時路徑偏折，這便是重力透鏡的基礎。

量子光學一瞥：糾纏、單光子與QED

單光子與糾纏(Entanglement)：光子對可以糾纏，在測量其中一個的偏振後，另一個的結果即被關聯。這不傳遞超光速資訊，但對量子密鑰分配(QKD)等安全通訊至關重要。
量子電動力學(QED, quantum electrodynamics)：以量子場論描述光與帶電粒子的互動，是最精確的物理理論之一，可極準確預測電子磁矩等量。
非經典光(Nonclassical light)：如擠壓光(squeezed light)把量子雜訊在一個象限壓低，提升精密測量靈敏度，已在引力波探測器中應用。

光度學與輻射度：亮不等於能量多

描述「光有多強」有兩套語言：

輻射度學(Radiometry)：以物理能量計，單位如瓦特(W)與瓦特每平方米(W/m^2)。
光度學(Photometry)：加上人眼的光譜靈敏度加權，單位如流明(lumen)、勒克斯(lux)。同功率的紅光與綠光，在流明上不一樣，因為人眼對綠光更敏感。

常見誤解快破解

「光在玻璃中真的被『阻慢』嗎？」——是的，但這是有效傳播速度的結果，光子在晶格內與電子反覆相互作用的平均效果；資訊仍遵守相對論極限。
「雷射在空氣中總是一條看得見的光束」——不一定。除非有霧、煙或塵讓光散射到你眼睛，否則你只能看到光束照到的物體。
「陽光是黃色」——日光近似白色；接近地平線時因大氣散射與吸收，較短波藍光被散射走，留下偏黃橙的色調。
「黑色不發光」——任何溫度高於0 K的物體都會以紅外線為主發射熱輻射；只是不在可見波段。

在家就能試的安全小觀察

偏振測試：兩副偏振太陽眼鏡交叉旋轉，亮度明顯變化；把其中一副對著手機螢幕(本身有偏振)同樣有效。
CD/光碟彩虹：用白光照CD，觀察不同角度出現的彩帶，這是繞射光柵(diffraction grating)的效果。
肥皂泡色紋：吹一個泡泡或在水面滴洗潔精，觀察薄膜干涉造成的流動色彩。
水杯與折射：把筷子插入水杯，看筷子似乎「折斷」；試著改變觀察角度體會折射與反射。

把光當作語言：為何理解光很重要

光是自然界傳遞訊息的「語言」。我們用光看見世界、與遠方通訊、診斷身體、觀測宇宙，也用光在奈米尺度操控物質。從麥士維方程到量子電動力學，光把相對論與量子論串連起來，讓我們既能解釋彩虹為何是彩虹，也能拆解恆星的化學指紋、驗證宇宙學的關鍵推論。理解光，不只是在課本裡背定義，而是學會從日常現象讀出背後的規律——當你下次抬頭看港島夜色或維港日落，你看的不只是風景，而是一場精緻的物理演出。