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2021-08-27 05:46:02PChome書店

牛津通識課「宇宙篇」光:傳遞訊息的使者


牛津通識課「宇宙篇」光:傳遞訊息的使者
作者:伊恩‧沃姆斯利(ian walmsley) 出版社:日出出版 出版日期:2021-08-02 00:00:00

<內容簡介>

除了彩虹好繽紛,
關於光,你可以知道更多!

打開牛津大學出版社最受歡迎通識讀本,
跟著權威學者尋光追影,
用最簡明的方式了解光的奧祕!

光是什麼?光能做什麼?

光帶來能量,促成生命。
光構築我們對於周遭事物的感知,挾帶周遭環境的訊息,
從遙遠的星系,到我們體內的細胞,到個別的原子與分子。

許多提升生活品質的技術以光為基礎,
包括驅動網際網路、留存影像、觀察與操縱生物細胞。
光更揭示全然陌生的量子世界,激發我們對世界的想像。

人類真正開始理解光的時間不到一百年,
各種研究與洞見至今仍不斷推陳出新。
本書從光的奇異特性出發,涵蓋光漫長的歷史,
和各種生活、醫療與科學上的廣泛應用,最終抵達量子光學領域。

透過簡明的敘述與圖表,
你將領略光的力量,建立關於光的專業知識框架。

【關於牛津通識課】
牛津通識課(Very Short Introductions,簡稱VSI)是牛津大學出版社(Oxford University Press)的系列叢書,秉持「為所有讀者提供一個可讀性強且包羅萬千的工具書圖書館」的信念,自1995年出版以來,該系列內容涉及歷史、神學、藝術、哲學、文學、醫學、自然科學、政治等數十多種領域,出版近七百本讀物。每一本書對應一個主題,都由該領域公認的專家撰寫,篇幅簡潔精煉,並提供進一步深度閱讀的建議,確保讀者讀完後能建立該主題的專業級知識框架。

VSI系列上市以來取得了極大的成功,已被翻譯為二十五種語言,全球銷量超過一千萬冊,其中許多讀本被選為大學入門教材。

「牛津通識課?宇宙篇」精選重力、行星、光與黑洞四個宇宙學最熱門、最基礎的主題,透過專業簡明的論述與圖表,迅速建立關於宇宙的知識架構。

★目錄:

引言
第一章:光是什麼?
第二章:光線
第三章:波
第四章:波粒二象性
第五章:光物質
第六章:光、空間、時間
第七章:光的先端研究
第八章:量子光學
第九章:天光
延伸閱讀

<作者簡介>

伊恩‧沃姆斯利(Ian Walmsley)
牛津大學聖休學院(St. Hugh's College)副校長和牛津大學虎克實驗物理教授(Hooke Professor of Experimental Physics at the University of Oxford)。從事光學研究三十餘年,主要研究領域為超快雷射科學、量子光學與訊息處理、光學相干控制等。

譯者:胡訢諄
英國愛丁堡大學翻譯研究所畢業。譯作包括《創傷清潔工:與死屍、腐屋、精神疾病交手,擁抱生命中的混亂失序》、《理想的告別:找尋我們的臨終之路》、《下一個家在何方?驅離,臥底社會學家的居住直擊報告》、《嘉年華的誕生:慶典、舞會、演唱會、運動會如何翻轉全世界》等。
譯作指教:hsinchun.hu@gmail.com

★內文試閱:

‧引言

光,讓我們看見事物。這句再顯然不過的話是個起點,帶領人們踏上一條漫長而迷人的旅程。人們在這趟旅程中展開超卓的視野,不僅一窺自然世界的運作,更從中發展出各種現代科學依賴的工具和方法,啟發無數理論與實驗。

光承載了關於我們周遭環境的訊息,從遙遠的恆星與星系,到我們體內的細胞,甚至是單個原子與分子。許多提升生活品質的技術也以光為基礎:網際網路由光驅動;世界上最精準的時鐘依賴光;最微小的物體,從一個個原子到活的生物細胞,都能透過光來觀察與操縱;而與光息息相關的圖像和顯示器更是無所不在。此外,光揭示了全然陌生的量子世界,激發我們對世界的想像。或許你會感到訝異,因為我們真正理解光是什麼,其實還不到一百年。甚至現在,我們仍然在這其中尋找新的見解。

這本書梳理了人們理解光是什麼、光能做什麼的思考脈絡。這是一個很棒的故事,從古代開始,對光有貢獻的人來自全世界:雅典的歐幾里德和巴格達的哈桑(Al-Hazen)提出光線的概念;美國洛杉磯的泰德.梅曼(Ted Maiman)和日本德島的中村修二開發新的雷射器;巴黎的菲涅爾(Fresnel)和倫敦的湯瑪斯.楊格(Thomas Young)則是研究光的波動;亞伯丁的詹姆斯.克拉克.馬克士威(James Clerk Maxwell)與柏林的海因里希.赫茲(Heinrich Hertz)從前人的這些想法中,發展出電磁場的概念;而最後,伯恩的亞伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)和劍橋的保羅.狄拉克(Paul Dirac)以全新的概念──量子場,解釋這些顯然互不相容的事實,證明光如何可能同時是粒子又是波。

每當對光有多一分的了解,就會帶來新應用,例如:基於對光的折射的理解,人類發明了矯正視力的眼鏡;你會發現,與光相關的技術,總是能在提出新的光學理論後就迅速被轉化應用。光對現代世界的影響力遠超乎我們想像,卻往往沒被察覺其重要性。為此,聯合國指定二○一五年為國際光之年,以頌揚光與因為光而實現的一切。

特此感謝Alex Walmsley和Latha Menon對本書初稿提出有用的指教,感謝同事們回答了許多具體技術的問題,以及提供本書圖表與插圖的人。愛因斯坦曾說:「事情應該盡可能簡單,但不是過於簡單。」若這本書中有任何違背上述原則的論述,或因此出現錯誤,必定是我的緣故。

‧摘文

第一章 光是什麼?(摘錄)

光,讓我們看到周圍的世界。藉由對光的感知,我們能直接接收外在世界的訊息,並且觀察到變化。事實上,光最重要、最了不起、最獨特的特質,或許就是承載以及傳遞訊息。

眼見為憑

視覺協助我們能在周遭環境中,確定自己的位置,並且幫助我們定義自身以外的東西,繼而建構出這世界的真實圖像。除此之外,視覺所激發出的想像力,其實也超越了視覺本身。英國畫家喬治.里奇蒙(George Richmond)的畫作〈光的創造〉(The Creation of Light,見圖1),具體描繪出光在我們精神中的核心地位。

從光的概念衍生的詞語,例如洞察力、明亮、清晰,都與人類特質以及物理世界有關。事實上,拉丁文有兩個描述光的詞──lux和lumen,分別指涉光物質與形而上的面向,而前者則是本書關注討論的重點。這番物理與詩意互相交織的結果,使得光在哲學、神學、心理學、藝與文學的領域,成為思考世界的比喻。因為這是幾乎每個人都有的直接經驗,光的物理學基礎與光對人類的啟發,使得光幾世紀以來都是哲學家與科學家熱衷研究的對象。

光賦予萬物生命。從字面上看,我們與地球之所以存在,全部仰賴這一連串生物與化學過程,而光則是其中不可或缺的角色。可以說,光構築我們對於周遭事物的感知。以生活經驗來看,也能說明光在這方面的重要性。我們利用光來照亮環境,無論天然的日光與月光,或人造的光。絕大多數的光源都使用電,但有時候我們也利用化學反應產生光,例如點燃蠟燭。不同特性的照明影響我們感知環境,不同光源在物理空間營造的「情緒」各有差異。

光還有一個非常重要的角色,就是促成生命本身。地球的能源主要來自太陽,而太陽傳輸能量的方式是光,包括我們可見的部分以及無法直接看見的部分。例如,躺在沙灘上或坐在花園裡享受日光浴:我們感受的溫暖,是某些「不可見的光」從太陽發射的結果。這只是光的生理效應的其中一個例子。

但是,我們的星球能夠維持生命的關鍵之一是一個超厲害的生化過程,利用陽光作為能量來源,把「無用」的分子──二氧化碳,轉化成「有用」的分子──氧氣。而其相反的過程──將氧氣轉化成二氧化碳,則是發生在生物呼吸的時候,也發生在我們為日常生活提供動力而燃燒東西時。

數百萬年來,因為有太陽的光,現在提供其他能源來源的生物圈和地質層才會形成。若無來自太陽的能量,煤礦或石油都不可能生成。而我們使用這些煤礦、石油資源的同時,太陽光影響地球的方式也隨之改變。部分來自太陽不可見的光──紫外光,依舊被地球和其大氣層吸收,但是其他不可見的部分──紅外光,被大氣層反射回去。透過同樣的機制,地球產生的紅外光會被困在大氣層下,導致星球表面溫度上升。

光使通訊可能

自從人類出現,圖像就是人類文明的一部分。長久以來,圖像對於我們如何認知世界,以及如何理解我們在其中的地位,有著無法估量的影響。光學技術的進步澈底變革影像。例如,我們能夠藉由底片或數位攝影的工具,輕易快速地捕捉畫面,因此得以記錄地方、人物和事件,成為廣為流傳的報導(今日更透過光學的網路),繼而帶來長久影響:例如領袖與工人的照片、令人讚嘆的自然世界、可怕的戰爭場景等。這些影像可能以意想不到的方式團結或分裂人們,例如號召人們採取行動、激發同情心,或者賦予共同經驗更深刻的觀察。試著回想一下,人類初次登上月球邁出第一步,那個場景多麼令人驚奇(見圖2)。而當我們能夠捕捉移動的影像後,敘述與記錄能力更上一層樓,眼界更加寬廣。你能想像沒有電視、電影和影片的生活嗎?

現在,圖像的產生與傳播如此普及,以致我們幾乎很少會去留意它。我們每天都使用自發光的顯示器:電視、電腦、平板,甚至智慧型手機。這些工具都以光為媒介,為你帶來訊息,也從你這裡接收訊息。幾乎所有長途電信都倚賴光束傳輸,沿著名為光纖的細長玻璃繩行進,連結你我家中的網路光纖寬頻服務就是以此為基礎。就連在電腦和電視裡,光也扮演重要角色。例如,封存在CD或DVD 的音樂、影像或圖片,必須透過光取得。一束移動的細小雷射光能「讀取」光碟片,並將上面編碼的資訊轉為電子訊號,再傳送到顯示螢幕。我們所有瀏覽、下載及寄出電子郵件等活動,都需要極多處理訊息的能力,而光是唯一可行的傳輸媒介。

現代社會的交通規範則利用光為工具,我們藉由光發出信號,調節車輛移動。從鄉鎮的街燈到飛機的降落燈,光都是導航必要的部分。光也在保養車輛時發揮作用,例如,雷射光能定位、對齊汽車的輪胎;此外,光控點火器則能驅動內燃機引擎。

在許多方面,光以不同方式承載的能量與訊息,成就了現代生活。