穿越平行宇宙

并不是只有物体才由积木一样的基本构件组成，光也是如此，我们在本书第一部分提到过这一点。1905年，爱因斯坦推断，光是由一种粒子构成的，这种粒子称为“光子”。

在爱因斯坦提出这个观点之前的40多年，詹姆斯·麦克斯韦（James C.Maxwell）就已发现光是一种电磁波，这是一种电干扰。如果你能精确地测定一束光线上两个点之间的电压，你就会发现它会随时间来回振荡。振荡的频率f（每秒振荡的次数）决定了光的颜色，振荡的强度（你测到的最大电压）决定了光强。我们在第3章提到过的“万远镜”就能测量这种电压。根据频率的不同，人们为不同的电磁波起了不同的名字，根据频率从小到大分别将其命名为无线电波、微波、红外线、红、橙、黄、绿、蓝、紫、紫外线、X射线、伽马射线等。尽管名字不同，但它们实际上都是光，由一个个光子组成，只不过形式不同而已。发光体每秒释放出的光子越多，它就越明亮。

爱因斯坦意识到，光子中蕴含的能量E是由频率f决定的，它们遵循一个简单的方程：E=hf，其中，h是一个名为“普朗克常量”的自然常数。常数h非常小，所以一个普通的光子内只含有非常微小的能量。如果我在阳光明媚的海滩上躺1秒钟，一共会有10²¹个光子落到我身上，温暖我的身体，所以感觉起来很像一股绵延不断的光流。然而，如果我朋友送我一些能遮住90%光线的墨镜，我同时戴上21副这样的墨镜，那么1秒钟内，在之前的那些光子中，大约仅有1个光子能通过墨镜的重重阻隔，只有灵敏的光子探测器才能发觉它的存在。

爱因斯坦获得诺贝尔奖，正是因为他用这个想法来解释了光电效应（photoelectric effect）：光具有“击”出金属中电子的能力，这种能力只取决于光的频率（也就是光子的能量），而与光强（光子的数量）无关。低频光子无法完成这项任务，因为它们的能量不够，这就好比扔网球去砸碎玻璃窗，如果你使的力气过小，那么不管你扔多少个网球，玻璃也毫发无伤。今天的太阳能电池和数码照相机的图像传感器上都用到了与光电效应有关的技术。

马克斯·普朗克（Max Planck）获得了1918年的诺贝尔物理学奖，因为他发现，爱因斯坦对光子的想法同样能解释另一个困扰人们多年的谜：为何以前人们对发光发热物体的热辐射计算总是不正确。彩虹（见图1-5）

展示了阳光的光谱，也展示了多种不同频率的光。人们知道，物体的温度T可以用来度量它内部粒子运动的快慢。人们还知道，一个粒子的动能E遵循公式E=kT，其中k代表玻尔兹曼常量（Boltzmann’s constant）。在太阳内部，当粒子相撞时，大约有kT这么多的动能被转变为了光能。

不幸的是，对彩虹更详细的预测陷入了一个困境，被称为“紫外灾变”（ultraviolet catastrophe）。光强会向着图1-5的右侧（也就是向着更高的频率）永远增加下去，所以只要你向任何一个有温度的物体（比如，你最要好的朋友）瞥一眼，你就会立刻被伽马射线亮瞎眼。然而，“光由粒子组成”这个事实将救你一命：太阳发光时，只能一个一个地释放出光子，制造一个光子所需要的能量通常是kT，这个能量太小，与制造伽马射线的能量hf相比还差得远呢，所以你一点也不用担心。