第四章 上帝的注視和滴水的水龍頭
當你從東方的地平線冉冉上升時，你將你的美麗遍灑每一片土地。雖然你在遙遠的地方，你的光仍然普照大地。
阿肯那頓(Akhnaton)
《讚美太陽詩》(Hymn to the Sun，約於公元前1370年)
在阿肯那頓王統治下的古埃及時代，人們信仰的是一種已不存在的神教，崇拜的是太陽。人們認為陽光是神的注視。在那時，人們認為眼睛會放出光讓我們能看見東西。視覺就和我們現在的雷達一樣，眼睛放出光，直接接觸被看見的物體。太陽射出它的視線，照亮尼羅河穀，並使河穀變暖，沒有它的時候，除了星光，幾乎看不見任何東西。以當時的物理知識，及那些禮拜太陽的人對他們宗教信仰的虔誠，把光視為神的視線似乎是一種合理的看法。3300多年後的今天，有一個更深奧卻顯平淡無奇的描述，賦予光一個更恰當、更好的解釋。
波長×頻率=波速
你坐在浴缸中，水龍頭開始滴水，假定每秒滴下1滴水，這滴水造成了1個小水波，以極美的弧形慢慢散開。當水波碰到浴缸時會反射回來，反射回的水波強度減弱。在反射一兩次後，水波就看不見了。而在水龍頭那一邊，每滴1滴水就有一道新的水波出現。每當水波衝到你的橡皮鴨時，它就一上一下地浮動。顯然，水波高峰處的水位較高，低穀處的水位較低。水波的“頻率”就是在一定時間內，水波波峰經過你所設定的觀測點的次數——在我們舉的例子中，頻率是每秒鍾1次。因為每滴水可以產生1個水波，產生水波的頻率和滴水的頻率相同。水波的“波長”就是連續的2個波的波峰間的距離——在我們舉的例子中，波長約10厘米。可是，如果每秒有1個波峰經過我們的觀測點，而波長是10厘米，那麽，波速度就是每秒10厘米。你如果仔細想一下就會明白，波的速度就是波長乘以頻率。
湖麵水波形狀
浴缸的水波和大洋中的水波都是二維的，它們從一點以圓圈的形式向外擴散。而聲波是三維，從聲波的波源向所有的方向傳播。在波峰處，空氣被壓縮了一些；在波穀處，空氣變稀薄了一點。你的耳朵能區分這些波的不同。如果這些波峰來的次數很頻繁(頻率高)，聲波聽上去就是高音的。
音調就是聲波波峰撞擊你耳朵的頻繁程度。中央C代表的是每秒鍾聲波波峰撞擊你的耳朵261次。我們稱之為261赫茲[28]。中央C的波長是多少？如果聲波可以用眼睛看得到的話，也就是說從一個波峰到下一個波峰間的距離是多少？在海平麵，聲音的傳播速度大約是每秒340米(約每小時1100千米)。和浴缸中的水波一樣，聲波的波長也是波速除以波的頻率。算下來，中央C的波長約為1.3米——大約是9歲小孩的身高。
聲音不因人而異
有些人想出一些古怪的問題試圖難倒科學的推理——其中一個問題是這樣的：“對天生失聰者來說，中央C是什麽？”這個問題很容易回答。中央C的頻率還是261赫茲，這是一個極精確、單一的屬於中央C的聲音，不屬於任何其他聲音。如果你不能直接聽到這聲音，你可以借助儀器——示波器(oscilloscope)把它顯示出來。當然，這和親耳聽到聲音的感受完全不同——這種“聽”用的是視覺而非聽覺——可是，有差別嗎？所有關於音調的信息都清楚地顯示在那兒。你可以通過電子方式感受到和弦(chord)、斷音(staccato)、撥奏曲(pizzicato)，及音色(timbre)。你可以認出中央C來。也許看到用電子方法顯示的音調信息和親耳聽到的體驗不同，可這也隻是體驗上的問題。即使暫時撇開像貝多芬這樣的音樂天才，你就是全聾了還是可以體驗音樂。
這也回答了另一個謎題：森林中有一棵樹突然倒下了，如果沒有人聽到，那麽樹倒下時究竟有沒有發出撞擊聲？當然，如果我們對聲音的定義是，要有人聽到才算發出聲音，那麽按此定義，這棵樹就沒有發出聲音。可是，這種對聲音的定義未免太高抬人類的重要性了，重要到宇宙萬物唯人類是從。顯然，如果一棵樹倒了，一定會發出樹倒了的聲音。我們可以借助錄音器將此聲音收錄在光盤中，並通過音響設備放出來，這樣就可以聽到這樹倒地時發出的聲音。因此，根本就沒有什麽不可解的謎題。
聽力的範圍
可是，人類的聽覺不是很完美。我們聽不到有些低頻率(每秒少於20個波)的聲音，但鯨魚可以用這麽低頻率的聲音來互相通信(或談話)。大部分的成人也聽不到有些高頻率的聲音(每秒超過2萬個波)，可是，狗就可以聽到(可以用一個高頻率的哨子來叫狗，人還不會覺得吵)。有許多聲音的音域超過人耳聽覺的接收範圍——例如，每秒超過100萬個波的聲音。我們的感官，雖然已經進化得極端敏銳易感，可還是有其物理上的基本限製。
我們用聲音來互相交流。我們靈長類的親戚們也是這樣做的。我們是群居動物，而且對彼此的依賴性很強，所以必須相互溝通。因此，在過去的數百萬年間，當我們的大腦以空前的速度在進化時，掌管我們語言能力的大腦皮層(cerebral cortex)也隨之大幅進化，我們使用的詞匯量也大為增加，我們能發的音也越來越多了。
當我們還是在狩獵采集時，我們製訂每日計劃、教育下一代、交友、警告他人有危險，以及在晚飯後，坐在火邊看星星，聊天講故事，這些活動都需要語言。最終，我們發明了音標的書寫方法，可以把我們的發音寫在紙上。我們隻要瞄一眼紙上的符號，就可以在腦中聽到別人說的話——這項發明在最近數千年中廣為流傳，使我們幾乎忘了這是一項多麽奇妙而偉大的發明!
語言無法立即傳播到對方耳中。當我們發音時，我們發出的行波 (travelling wave)在空氣中以聲速傳播。從實際感覺來看，聲音的傳播幾乎是瞬時完成的，不花任何時間。可是，你的喊聲隻能傳播到一定的距離。很少有人可以用喊聲同另一個在100米外的人講話。
近代以前，世界上的人口很稀少。我們很少有必要同100米外的人講話。除了我們的家庭成員，幾乎沒有其他人會走近和我們交談。在當時人口稀少的情況下，若有人走近要和我們說話，我們的態度通常是帶有敵意的。民族優越感(這種想法使我們認為自己小社團裏的任何成員都比別人要強)及生人恐懼感(一種對外人“先開槍再問是誰”[29]的恐懼)已深植於我們心中。這不是人類特有的習性，所有的猿猴及人猿都有類似的行為，許多其他哺乳類動物也有類似的行為。引發這種行為的部分原因是話語可以傳播的距離太短了。
隔離創造不同的文化
如果我們與其他的人隔離了太久，我們就會逐漸朝不同的方向發展。例如，其他地區的戰士不穿戴我們這裏流行的鷹羽毛飾品，而穿戴豹皮。他們的語言也逐漸迥異於我們的。他們禮拜的神祇名字和崇拜的儀式也和我們的不同，奉獻方式也不一樣。隔離能產生不同的文化。人口稀少(指早期人類發展時期)加上限製性很強的交流方式促使文化隔離的產生。人科(包括許多已絕種的人類係)——在數百萬年前，起源於一個非洲東部的小地區——逐漸流浪、分開、演變成不同的文化，最後，大家都變成了陌生人。
扭轉這種趨勢——各種族之間重新建立熟識的關係，使失聯的人類種族重行團聚，把各種族凝聚起來——是最近才開始發生的，而發生的原因就在於科技的發展。把馬變成家畜，就可以讓我們去旅行，或把信息傳播到數百千米外的遠方。帆船技術的進步，使我們可以到達地球上最遙遠的角落——雖然隻能慢慢地駛過去。18世紀，從歐洲到中國的航行時間長達兩年。雖然在那時，雙方已經能互派大使，交易經濟價值高的物品，但對18世紀的中國人來說，歐洲人的奇異程度，就和來自月球的人一樣，反之亦然。要把世界真正地凝聚在一起，消除世界地方主義化，就要有比馬匹或帆船更快的運輸技術，同時，運輸的價格也要夠便宜，使每個人能可以用得起。這類科技始於海底電纜傳送電報以及電話通信的發明。無線電、電視、人造衛星通信的發明，使得通信科技流傳極廣。
光速通信
如今我們可以——頻繁地、隨意地——以光速通信。從倚賴馬匹或船隻來傳達，到以光速傳播，信息傳送的速度幾乎增加了10億倍。基於一個很基本的原理——已在愛因斯坦的狹義相對論中以公式表達得很清楚了——我們知道我們不可能以超過光速的速度通信。僅用了1個世紀，我們就到達了速度的極限。這項科技威力之強大、影響之深遠，是我們目前無法超越的。
我們在打越洋電話時，已經可以感受到，從我們說完話到對方開始反應之間有一段空當。在這段空當時間中，我們的聲音以空氣為媒介傳到話筒，變成電信號後通過電線傳送到發送站，發送站再用大型碟形天線把無線電波變成無線電波柱傳到同步衛星上去。同步衛星再以它的小型碟形天線把無線電波變成無線電波柱射到接收站，再變成電信號，經由電線傳到另一方的聽筒(也許這信息是從半個世界外的遠方傳來的)。電信號經放大後，使聽筒中的一片薄膜發生振動，從而把電信號轉換成聲音，然後再以空氣為媒介，通過極短的距離傳到耳中，並由耳朵變成電化學信息傳到大腦，由大腦解釋這信息的意義。
無線電波從天線送到同步衛星的來回時間是1/4秒左右。傳送站離接收站越遠，這段時間也就越長。在與登陸月球的阿波羅宇宙飛船通信時，這段空當時間就很長。這是因為光(電波)從地球到月球的來往時間是2.6秒。從火星軌道的人造衛星發出的信息，最快要經過20分鍾才能到達地球。1989年8月，我們接收到旅行者2號宇宙飛船從海王星(Neptune)傳來的圖片，上麵顯示了海王星及其衛星呈弧狀半環的影像。這些圖片以數字方式儲存，以光速傳送，要5小時才能到達地球。這是人類有史以來的最遠距離通信之一。
光波、光子、無介質傳播
從許多方麵來看，光是一種波。例如，想象光在一間暗室中經過兩條平行窄縫的景象。光通過這兩條窄縫後，投射在熒幕上的影像是什麽樣的？答案是：條紋。更正確的答案是：一係列的條紋影像，叫作“幹涉圖像”(interference pattern)。光的傳播和子彈不同，子彈經過窄縫後還作直線飛行，而光經過窄縫後，以波的方式從這兩個窄縫散播出來，向各角度發散。光的波峰射到的地方，就是亮條紋的地方，叫作“相長幹涉”(constructive interference)；波穀射到的地方，就是暗條紋的地方，叫作“相消幹涉”(destructive interference)，這種幹涉現象就是光的特性。同時穿過碼頭的木柱排的兩個空隙的水波，相遇時也會產生這種幹涉現象。
但光也能像子彈一樣傳播，我們稱之為光子(photons)。常見的光電池(如攝影機或光電式計算機中的電池)就是利用這一特性。光子每次撞擊對光敏感的薄麵就會釋放出1個電子；許多光子撞擊就會放出許多電子，形成電流。光怎麽能既是波又是光子(粒子)呢？也許我們不應當把光比作我們日常見到的現象，如波或粒子等，而應把它視為我們日常生活中從未見過的一種新東西，既不是波也不是粒子：在某種場合下，它體現了波的性質，而在另一種場合下，它也可以體現粒子的特性。這種波及粒子的雙重特性可以促使人類學會謙卑：自然界不是經常按我們人類的習性、癖好或偏愛來行事的。我們自認為很合適的想法不見得就是大自然的做法。
在許多方麵，光和聲波很類似。光波也是三維的，可以上下左右傳播；光也有頻率、波長、速度(光速)。然而奇怪的是，光傳播時不需要媒介(如聲音需要空氣來傳播)。太陽射出的光，以及遠處星球發出的光，可以穿過真空傳播到地球上。在太空中，航天員如果不用無線電通信，就無法聽到其他航天員的聲音。可是，他可以清晰地看到其他航天員。如果他們靠得很近，近到兩位航天員的頭盔都碰到了一起，他們就可以聽到對方說的話。[30]如果把房間中的空氣都抽掉，你就聽不到他們叫苦的聲音，雖然你還是可以看得到他們喘氣和敲打門窗的動作。
一種顏色對應一個頻率
一般的可見光，就是我們平常看得到的顏色，頻率非常高，每秒約有600萬億的光波射入你的眼中。因為光速是每秒行進300億(3×1010)厘米(或每秒30萬千米)，波長是波速除以頻率，因此，可見光的波長約為0.000 05厘米(3×1010/6×1014 = 0.5×10-4)，即使我們有辦法像看到水波一樣看到光波，光波也小到我們分辨不出來。
不同頻率的聲音，在人耳聽來呈現不同的音調。不同頻率的光，在人眼看來，就是不同的色彩。紅光的頻率約為460萬億赫茲(每秒4.6×1012個波)，紫光的頻率為710萬億赫茲(每秒7.1×1012個波)。頻率在紅光紫光之間的光波就是我們熟知的彩虹顏色。每一種顏色對應一個頻率。
問音調對天生失聰者的意義，猶如問顏色對天生失明者的意義。同樣，這個問題唯一明確的答案就是波的頻率——此頻率可以用光學方法準確測量出來，如果我們願意的話，就可以用不同音調的樂音表示出來。一位失明者，如果加以訓練，本身又有相應的物理知識，就可以分辨蘋果的玫瑰紅和血液的紅色。隻要有一份收集了許多光譜的檔案，這位失明者對色彩的分辨本領也許要遠高於一位未經訓練的正常人。當然，對一位視力正常者來說，看見460萬億赫茲的紅光波時，心中可能會升起一股特殊的感覺。與失明者相比，除了這種對460萬億赫茲光波的特殊感覺，其餘就沒有什麽不同了。雖然有美的感受，但是再沒有其他神奇的東西了。
和我們聽不到很高或很低的音調一樣，有些光波的頻率或色彩超出我們的視覺範圍。這些看不見的光的頻率可以很高(伽馬射線的頻率在1018赫茲左右)，也有更低的(如在1赫茲以下——每秒波峰的數目少於1的長電磁波)。從高頻率到低頻率，各種光波的名稱依序是：伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波。這些都是可以穿過真空的波，每一種都是正正規規的和可見光一樣的光。
上述的每一種光都有一種與之對應的天文研究。天空回應每一種光的形態都不同。觀測可見星星時往往看不到伽馬射線波段的天體。而用伽馬射線觀測台雖能探測到至今還是謎一樣的伽馬射線暴，但並不能看到可見光的天體。如果我們隻看可見光部分的宇宙——在大部分的人類曆史中，我們就是這樣做的——我們就不可能知道天上有伽馬射線源這回事。對於X光、紫外線、紅外線，以及無線電波也是一樣的(以及更為奇特的中微子及宇宙射線源，甚至是引力波源)。
人眼隻看到可見光
我們對可見光有偏愛。我們是可見光的盲目崇拜者。這是因為我們的眼睛隻能看到可見光。但是如果我們能放射並接收無線電波的話，古代祖先之間的通信距離就可能更長；如果能放射並接收X光的話，我們的祖先也許就能看到植物、人類或其他動物的內部結構。既然如此，為什麽我們在進化的過程中，沒能看見這些非可見光？
任何物體都會吸收某一頻率的光，並讓其他頻率的光通過，所以每一種物質都各有其所好。光和化學間似乎有一種共鳴。有些頻率，例如伽馬射線，所有的物質都能不分青紅皂白地吞下這類光。如果你有一個放射伽馬射線的手電筒，它放出的光經過空氣就會被空氣吸收。從遙遠太空來的伽馬射線，一進入地球，就被高空的大氣吸收了，不能射到地球表麵。在地麵上，用伽馬射線去看天空，天空奇暗無比，唯一例外是在核武器附近。如果你要看到我們銀河星係中心放出的伽馬射線，一定要把儀器放到太空中去。同樣，要看到X光、紫外線及大部分的紅外線，也要到太空中去。大部分物體對可見光的吸收都不太強。例如，空氣對可見光就很慷慨，吸收極少。這就是我們的眼睛看到的是可見光的原因，隻有可見光可以穿過大氣射到我們所在的地方。如果你真能看到伽馬射線，在被吸收伽馬射線的大氣包圍時你的眼睛毫無用武之地，隻能看到一團漆黑。天擇自有其道理。
另一個我們能看到可見光的原因是，太陽所放出的大部分能量就在可見光範圍內。一般而言，一顆表麵非常熾熱的恒星放出的光大都在紫外線範圍；一顆表麵寒冷的恒星放出的光大都在紅外線範圍。從某種角度來看，太陽隻是一顆普通的恒星，放出的光大都在可見光範圍。而人眼對光最敏感的頻率就是黃光，這也是太陽光最明亮的頻率。
是不是有這樣一種可能：居住在其他行星上的外星人，他們看見的光的頻率和我們看見的大不相同，有不一樣的頻率範圍呢？我認為這不太可能。宇宙中遍布的氣體在可見光的頻率範圍內都是透明的，而在其他的頻率範圍內幾乎都是不透明的。除了一些表麵溫度極低的寒冷恒星以外，大多數恒星放出的光在可見光範圍也最強。看起來好像是一種巧合，恒星發出的光的頻率正好在大多數氣體透明的波段。這種巧合並非隻發生在太陽係中，也發生在宇宙各處。這種巧合來自輻射基本原理、量子物理，以及核物理的原理。也許偶爾會有例外，可是我想說如果有其他世界的外星人的話，他們的視力頻率範圍和我們的不會相差太遠。[31]
黑白分明的謬誤
植物吸收紅光及藍光，把綠光反射出來，因此，對我們來說，植物呈現綠色。我們可以畫一個圖，顯示物質對不同顏色的光的反射強度。吸收藍光反射紅光的物體呈紅色，吸收紅色反射藍光的呈藍色。如果一件物體對所有顏色的光的反射率都一樣高，看上去它就是白色的，對灰色或黑色的物體來說，它們也對所有顏色的光有相同的反射率。白與黑的區別不在於顏色不同，而在於反射的多少。這些用詞都是相對的，而非絕對的。
也許自然界中最明亮的物體是新下的雪。可是，它隻反射75%的陽光。我們最常接觸到的最黑的物體——例如，黑天鵝絨——隻反射百分之幾的光。“黑白分明”這句話，是一種概念上錯誤的比喻：黑與白本質上是完全一樣的，它們之間的區別在於反射了多少光，而非顏色上的不同。
人類中，多數“白”人的白並不像新雪的白(甚至也不像冰箱外麵塗的白色)，而大多數的“黑”人也不像黑天鵝絨一樣的黑。這些名詞是相對的、含糊的、混淆不清的。光照到皮膚上的反射比例(反射度，reflectivity)因人而異。皮膚的顏色與一種叫作黑色素(melanin)的有機化合物有關，這是人類身體的自然產物，來自人體的酪氨酸(tyrosine，是蛋白質中常見的氨基酸的一種)。白化症(albino)是一種遺傳疾病，由於身體無法製造黑色素，因此患者的皮膚和頭發都是乳白色的，眼睛瞳孔呈粉紅色。在自然界，白化症動物極為稀少，因為白色的皮膚對太陽幾乎沒有抵抗力，白化症動物的存活率不高。
在美國，幾乎所有的人都呈棕色。我們的皮膚對光譜上紅光一端的反射要比藍光一端的反射強些。因此，我們稱皮膚中含有較多黑色素的人為“有色人種”，這就和把皮膚中含有較少黑色素的人叫作“漂白人種”一樣毫無道理。
隻有在可見光和鄰近的頻率中，才有膚色反射率不同的區別。在紫外線及紅外線的頻率範圍內，北歐人和非洲人一樣都呈黑色。隻有在可見光的範圍內，一般物體呈透明狀，才有不正常的白膚色。在大部分的其他頻率範圍內，所有人都呈黑色。
花顏色的魔法師：花青素
陽光是由彩虹中不同顏色的光構成的。論分量，黃光要比紅光或藍光多，因此，太陽略呈黃色。各色的光都照在物體上，例如紅玫瑰花瓣上。為什麽玫瑰花瓣呈紅色？這是因為除了紅光外，其他的光都被花瓣吸收了。所有顏色的光都照到玫瑰花瓣上，這些光在玫瑰花瓣中匆忙地反射來，反射去，最後再反射出來。就如在浴缸中的水波一樣，每一次反射它的波幅就減少一些。藍光同黃光在曆次反射中被吸收的分量比紅光要多。經過許多次的內部反射後，反射出的紅光就比其他的光要多。因此，我們才能看到一朵美麗的玫瑰花。在藍色或紫色的花瓣中，也發生過類似的現象，不同的是紅色和黃色的光在多次的反射中，被吸收的分量超出藍色或紫色。
在玫瑰花或紫羅蘭的花瓣中，吸收顏色的是一種有機物。由於這些顏色十分引人注目，因此這些花的名字都帶有這些色彩的名稱。這種有機物叫作花青素(anthocyanin)。
令人驚奇的是，在酸性**中花青素的顏色是紅的，在堿性**中為藍色，在中性**(水)中，則呈紫色。因此，紅玫瑰是紅的，因為它的花瓣含有花青素並呈現酸性；紫羅蘭是紫藍的，因為它的花瓣含有花青素並呈現堿性。(我想用這幾句話湊成一首打油詩，可是沒成功[32])
在自然界中藍色素很稀有。地球上極少出現藍色的岩石或沙粒就是個很好的證據。藍色素一定是很複雜的化合物：花青素由20來個比氫重的元素組成，並按特定的方式排列。
生物有一套應用色彩的獨到方法——吸收陽光，經過光合作用，用空氣和水製造食物；提醒母鳥雛鳥的咽喉部位在哪；吸引異性；吸引傳播花粉的昆蟲；用來保護及偽裝；人類則通過色彩，感受喜悅及美。可是，出現這些奇跡的可能原因，卻來自恒星的物理性質、空氣的化學性質，及極為高雅的自然進化出的結構。這種結構讓我們和環境和諧共存。
當我們研究其他的行星時，當我們研究它們的大氣或表麵的化學成分時——當我們費盡心機想去了解，為什麽土星的衛星泰坦(Titan)的大氣中的曇氣是棕色的，或為什麽到處都有皺皮式的地形，及海王星衛星的顏色是粉紅色之際——我們依賴的是那些和浴缸中的水波差不多的光波的特性。因為我們看到的所有色彩——在地球上，或其他行星上——都和太陽光包含的各波長的光的反射有關。認為太陽光在愛撫我們或把太陽光看成神的注視，比起這種詩情畫意的描述，應當有一個更深刻的認知。如果你把光看成和浴缸水龍頭滴下的水波類似的現象，你就會對它有更深一層的了解。