自古以來，光照亮了人類世界，讓世人為之著迷。然而，直有在最近的四個世紀中，我們才逐漸揭開了光的秘密。直到距今不久的時期，我們才在科學技術的幫助下馴服了光，而這些現代科技徹底改變了我們的生活。至于可見光的表親微波，我們發(fā)現它也不過是一百多年前的事，而微波在現代通信、導航和醫(yī)學成像等設備中無處不在。我們通過發(fā)明激光來馴服可見光也才剛剛六十年。激光射線的非凡特性讓我們獲得了根本性的發(fā)現，那些我年輕時難以想象的儀器、設備也被一臺臺地發(fā)明了出來。

在過去的半個世紀里，我有幸成為了參與這場知識大冒險的一份子。我想通過描述個人致力于光的研究的科學生涯，和讀者們分享當一位研究者每次看到一個能夠給世界帶來意想不到的驚喜的新現象時所感受到的快樂。經過多年的研究，我和我的團隊成功地將幾個微波光子困在一個帶有反射壁的盒子里，時間超過十分之一秒。通過讓這些脆弱且難以捕捉的光粒子與由激光束激發(fā)的原子發(fā)生相互作用，我們在實驗中觀察到了光的波動行為和粒子行為，展示了量子世界的奇異特性。除了發(fā)現的樂趣之外，我們還興奮地想到，這項工作有朝一日可能會帶來新的應用，盡管現在還很難預測它們會是什么。事實上，每一個發(fā)現了新的有前景的對象的研究者，都經歷過類似的快樂和興奮。

在當下，人們對科學的需求比以往更加緊迫，一件很重要的事情是，讓非專業(yè)的聽眾能夠通過研究者的個人敘述理解他的動機、他的好奇心的來源以及偶然性在探索過程中所起到的作用。在這個過程中，驚喜永遠不會缺席。同樣重要的是，我們要明白，科學研究首先是知識的創(chuàng)造者，它豐富了幾個世紀以來積累的文化遺產。與其他人相比，研究者們會以一個更高的視角來觀察這個世界，用牛頓的名言來說，他們是坐在前輩巨人的肩膀上�；�于這一有利位置，他們是讓我們的文明所必需的知識和理性科學方法代代相傳的傳遞者。

談論科學，不僅豐富了我的視野，而且加深了我對世界的理解的他人的科研工作。我希望與各學習階段的學生和剛入門的研究者們分享我的研究熱忱，讓他們能夠在這場持續(xù)更新的冒險中，繼續(xù)科學的事業(yè)。我也希望這本書能夠引發(fā)那些好奇的普通民眾對這段歷史的興趣，這段歷史曾經深刻地影響了我們看待世界的方式，并賦予了我們強大的行動手段和控制能力。我還想通過一己的見解，讓已經知道這段歷史大致輪廓的讀者產生進一步的興趣。我在本書中描述了今天我們對光的了解，以及我們是如何了解這些的，也談到了我們仍然不知道的東西，以及我們的子孫后代需要厘清的東西。

對我而言，想要討論我的研究，似乎就不得不將它置于橫亙數世紀的學術探索的豐富歷史背景之下。這段歷史，除了光學之外，還包括了其他所有的知識流派。弄清楚光是什么這一問題，這當然是物理學的范疇，但這項研究也對其他科學，比如天文學、化學、生物學甚至生命科學都產生了深遠的影響。探索我們的星球，確定它的大小和精確的形狀，我們對光的理解的進步也在其中發(fā)揮了巨大的作用。因此，談論光就意味著需要喚起所有知識領域。

越來越精確的測量在這個故事中起到了至關重要的作用。隨著各種儀器的發(fā)明，對自然界的觀察真正成為了科學，儀器讓我們能夠用數字來量化所研究的現象，并且以客觀和可重復的方式、通過測量的數據來描述它們，首先是距離和時間間隔，然后是更微妙的量，如力、電荷和場。隨著數學、幾何學和代數學的共同發(fā)展，將這些數據與理論模型聯系起來，在一個普適性的解釋框架中統(tǒng)一了看起來明顯不同的各種現象。想要呈現這段歷史，意味著要說明科學知識是如何在儀器的進步和計算方法的改進之間的不斷互動中一步步建立起來的。第一位切割透鏡鏡片并將其組合成放大鏡的工匠，以及制造出第一只精確的擺鐘的鐘表匠，也都是這段歷史中不可或缺的角色。正如發(fā)現復數或導數與積分概念的數學家一樣。

向非專業(yè)的大眾介紹科學并不是一件容易的事。利用圖像和比喻看上去很有吸引力，但是我們要避免讓它們產生誤導作用。想要深刻理解光是什么，我們必須引入量子物理學的知識，這就有可能導致話題朝向神秘主義傾斜的風險。量子物理學之所以令人困惑，是因為我們不能直接用感官和我們對宏觀世界的直覺去感知它，但它其實并不神秘。對于量子世界的發(fā)現者來說，量子物理以一種合乎邏輯的方式呈現了自己，并引發(fā)了一個嚴謹的數學理論，使我們能夠精確地計算觀察到的現象，而沒有留下任何深奧含糊的空間。

毫無疑問，伽利略應該是最早嘗試以教育的方式向廣大觀眾介紹他的發(fā)現的科學家之一。在《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》一書中，他向同時代的那些懷疑和困惑的人們展示了運動的相對性。摒棄地球是靜止的且位于宇宙的中心這一觀念，對于文藝復興時期的人們來說，是非常困難的，就像現代人在描述原子和光子所在的不確定世界時，要從牛頓運動軌跡的經典形象中解放出來一樣困難。伽利略當時所面臨的風險是巨大的, 因為反對宗教教條等同于異端, 這是宗教裁判所所認定的最嚴重的罪行。如今，那些試圖揭示其多種應用已經給我們的日常生活帶來了革命性變化的物理學科中的反直覺概念的科學家們，顯然不需要再面對 17 世紀物理科學家們同樣的命運了。

然而，我意識到，在今天，當研究人員向非專業(yè)人員傳遞科學信息時，所帶來的危險雖然不那么引人注目，但卻是真實存在的。他或她的介紹可能太過于技術性或者太簡單化了。在這本書中，我試圖避免這些陷阱，以漸進的方式介紹光、相對論和量子物理學的概念，而不是使用方程式或形式系統(tǒng)。順著幾個世紀以來的思想和理論的譜系，我將逐一介紹那些困擾著偉大的科學前輩們的問題，我想，隨著篇幅的逐漸推進，對于讀者來說，它們會變得越來越熟悉，越來越容易被理解。

回顧歷史，我們將回溯現代科學的起源，也讓我有機會給大家介紹我心中的科學英雄，從伽利略到愛因斯坦，我將提到那些家喻戶曉的科學家所做的工作，以及其他一些相對不知名的人，他們也為這場偉大的冒險做出了貢獻。本書并非科學史專家的客觀專著。在描述這段曲折豐富的知識史時，我可能在一些細節(jié)上有誤。事實上，這本書可以被看作我個人對幾個世紀以來關于光的知識演變的看法，因為我曾經就是這樣感受它的，而且它曾經指導和啟發(fā)了我自己的研究。

在本書中，光的歷史將與我個人的研究歷程交織在一起。它分為長度大致相同的兩個部分。其中，第一章和最后兩章，涵蓋了過去的五十年。它們描述了我個人的研究，以及我所見證的、同時代科學家們的發(fā)現。對物理學基礎知識有一定了解，并對光科學和激光科學的現代發(fā)展感興趣的讀者，可以從這幾章開始閱讀。本書的中間部分，即第二章到第五章，通過介紹17～20世紀的光科學發(fā)展全景，呈現了其歷史背景。我展示了光科學是如何演變發(fā)展并決定性地影響了我們的世界觀的。這些章節(jié)還說明了，從現代科學誕生伊始，在純粹的好奇心驅使下進行的基礎研究與人類探索地球、發(fā)展商業(yè)和工業(yè)的活動之間就建立了深刻的聯系。我希望這本書一方面能夠引起非科學從業(yè)者們的興趣，而另一方面，對于那些專家讀者來說，能夠讓他們注意到這一段充滿驚喜的蕩氣回腸的歷史中，那些被忽視或遺忘的細節(jié)。

我在這本書中插入了很多圖片，但為了讓讀者的閱讀更加流暢，我沒有在文中明確提到這些圖片。這些插圖和它們的說明可以看作補充資料，可單獨查閱。此外，我盡可能地讓各個章節(jié)的內容彼此獨立，讓它們主要集中在某些專題之上，比如光的歷史的不同階段，或者是我個人的研究經歷。不過，從一章到下一章之間，有一些過渡性的提示文字，將整本書中討論的思想和概念在不同的背景下聯系起來。在歷史方面，我的靈感來自大量文獻，在附錄中被列舉在若干參考項下，其中包括我的研究小組的三部出版物。在本書的最后，還有一個按照字母順序排序的人名索引，提到了在光學歷史中占有一席之地的科學家們的名字，讀者們可以很輕松地在維基百科上閱讀他們的個人傳記，這可能是對本書閱讀的有益補充。