 一杯清水—邪恶孪生兄弟 缺口的马克杯里热气腾腾的埃塞俄比亚咖啡。 沾满指纹的智能手机屏幕，柔软褪色的乐队T恤压在抽屉底下，那扇带黄铜把手的公寓实心橡木门，你那面抛光花岗岩台面上，点缀着星空般的斑驳图案。 所有这些形形色色的物体都有一个共同点：当你用手电筒照射它们时，大部分光线都无法到达另一端。换句话说，它们并不透明。 众所周知，还有其他物体是透明的，其中最常见的就是水。把自来水倒进玻璃杯里，你就能直接看到里面的东西，可以隔着玻璃杯读完下面的文字。 水，这种对我们生存至关重要的物质，为何如此透明，而其他许多日常物品却并非如此？ 为什么只有清晨从淋浴喷头流出的清水才如此透明，而朋友从马尔代夫寄给你的明信片上那片让你艳羡的蓝色海洋却并非如此？ 当我谈到手电筒时，我指的是我们日常照射物体的一种光——就像你在台灯或头灯中看到的光一样。 这种光也被称为可见光，因为我们能够用眼睛感知它。这当然意味着存在不可见光；但它究竟是什么呢？ 为了理解这一区别，我们先假设光是一种电磁波——换句话说，它是一种快速变化的电场，在空间中传播时会产生磁场， 磁场又会产生电场。这种波可以用波长来描述，波长决定了波型重复的距离。想象一下海水中的波浪，波长仅仅是从一个波峰到另一个波峰的距离。 我们所说的可见光是波长在 380 到 700 纳米之间的电磁波，相当于人类头发丝宽度的百分之一。 然而，还有许多波长比我们短得多或长得多的电磁波，其中许多我们每天都会遇到：  电磁波谱的不同部分及其波长大小的比较。波长范围从千米（无线电波）到原子核大小（伽马射线） 这个光波家族——也称为电磁波谱——涵盖了从无线电波（当你的手机在车里没电时，它会用音乐拯救你）、桑拿时为你保暖的红外线、加热食物的微波炉、紫外线（你在海滩上晒伤的隐形元凶）到诊断骨折的X光等各种波段。 在这个广阔的波谱中间，我们发现了我们的老朋友——可见光——它只占所有可能的电磁波长的一小部分。 你目睹过的一切，都是通过光谱中这极小的一部分来见证的：你第一次呼吸的明亮手术室，秋叶在风中飘舞的金色色调，以及在收到那张可怕的超速罚单之前，后视镜里模糊的红蓝灯光。 每一个视觉记忆，每一个敬畏的时刻，每一个心碎或喜悦的场景——都通过我们眼睛能够感知的这窄带电磁波传递到你的意识中。 为什么水是一种如此神奇的物质——它似乎不会与我们发出的任何光发生相互作用，而是让光原封不动地穿过。 也许水，出于某种我们尚需弄清楚的原因，根本就不想与电磁波发生相互作用。 就像那位在挤满陌生人的聚会上，性格内向的朋友，默默地占据着自己的角落，而周围的谈话却不受干扰地进行着。 让我们检查一下事实是否确实如此。 测量魔法如果我们想知道水与不同波长的光的相互作用程度，我们可以将光照射到水体中，然后测量有多少光从水体的另一侧射出。 我们先从一些可见光开始，比如绿光，让它穿过一块1米厚的水（如果你喜欢用身体部位来测量，那大约是3英尺）。 我们注意到，几乎所有东西都从另一侧流出来了；几乎没有东西卡在水里。毕竟，透明就是这个意思。 现在我们用不同颜色的光重复实验，结果基本相同。 然后我们尝试电磁波谱的其他部分：用X光机对准它，用天线发射无线电波，用紫外线和红外线照射它。 每次，我们记录有多少物质穿过了水，有多少比例流失了。 当我们查看每个测试波长的光损失量数据时，我们注意到了一些非常了不起的事情：  在我们测试的所有不同波长中，几乎所有波长都被强烈吸收。 例如，部分紫外线仅经过5毫米深的水就能被阻挡99%！ 不过，有些波长更接近可见光的紫外线穿透性更强，所以即使你打算经常游泳，也要涂抹防晒霜。 令人惊讶的是，通常非常擅长穿透各种物体的X射线，也显示出相当可观的吸收量。 这意味着水对可见光的透过率比对X射线的透过率更高，这对于一种物质来说是一种罕见的特性。你的X射线护目镜在这里不会派上用场。 水似乎更像是一只社交蝴蝶，热情地与派对上的几乎所有人互动——用红外线聊天，用微波炉跳舞，用X射线自拍——而完全忽略了可见光，仿佛它根本不存在。 可见光波尴尬地站在房间中央，手里拿着饮料，疑惑着自己究竟做了什么，竟然会受到如此对待，它们从水边经过时几乎无人注意。 只有电磁波谱中这一极小的一部分能够毫发无损地穿过水，而这一部分恰好是对我们的生活、动物的生活和植物的存在起着如此重要作用的光，这难道不奇怪吗？ 如果由于某种原因，海水无法让这部分光谱穿过，那么藻类如何在海洋中生存？生命最初可能是在海洋中进化而来的吗？ 然而，事实并非如此——藻类在海洋中茁壮成长，而我们却亲眼目睹这一切（例如，通过冲浪板，我们非自愿地成为了藻类养殖者）。 这一切究竟是巧合还是某种宇宙魔法？ 因果与结果 vs. 结果与原因我必须承认，我们之前完全搞反了。我们先来快速看看是什么决定了材料的透明度。 当电磁波穿过某种材料时，它会经过许多不同的原子。这些原子可以通过电子组成的键相互连接，我们可以把它们想象成橡皮筋。 当电磁波穿过并具有合适的波长时，它会引起橡皮筋振动。这也意味着电磁波会将部分能量传递给橡皮筋——因此，部分电磁波会在材料中损失。 还有其他机制可以吸收光波，例如将电子移到更高的能级。当我们说某物是透明的时，这意味着这些机制都无法吸收 该波长的光。 可见光穿过水时，由于波长不够，无法使水发生振动、释放电子，也无法将电子从一个能级转移到另一个能级。所以它别无选择，只能穿过水。它当然很乐意在水里留下一些能量，但根本做不到！ 现在想象一下，你是海洋中进化的早期生命形式。 你还没有任何形式的光传感器（或眼睛），所以你只能在黑暗中蹒跚而行，希望偶然遇到食物和配偶。 在进化过程中可以为您提供的所有不同类型的光传感器中，哪一种对您的生存最有用？ 例如，一条对紫外线敏感的鱼在黑暗中基本上还是会蹒跚而行，而且可能完全没有视力。 这是因为，正如我们之前所见，大部分紫外线在水中只能传播几毫米，所以任何更远的物体都会被隐藏在黑暗中。 因此，“一直游到撞到石头”可能是它获取周围环境地图的策略。 X射线视觉似乎也没什么用：X射线在水中无法到达太远，而且，照亮海洋的X射线又从哪里来呢？地球上天然的X射线辐射源屈指可数。 因此，显而易见的选择是可见光——我们之所以称之为可见光，正是因为它能够穿透水。 如果你的生物体有任何光受体，最好选择那些能够接收来自几毫米以外信号的受体。 这似乎并没有什么神秘之处：水的化学性质决定了它对电磁波谱的哪一部分是透明的；生命就这样自然而然地诞生了，并且主要利用了这部分光谱。 可见光之所以成为生物体的重要资源，仅仅是因为它是最有用的波长。 至此，我们的案子就结案了——谜团已经解开了。 或者是吗？ 太阳报参与了这场阴谋整个事件中还有另一件事很可疑。当我们忙于弄清楚水为什么透明，并将其与水的化学性质联系起来时，我们完全忘记了最初为我们提供自然光的光源：太阳。 如果由于某种原因，太阳没有产生可见光，那么水对太阳来说是否透明对地球上的生命来说就无关紧要了。 但显然，水对太阳来说是透明的——让我们来看看太阳光输出的形状：  这张图显示了太阳在各个波长下发射的光量。 注意输出峰值的位置：它正好位于可见光范围内，几乎完美。这有多奇怪？ 可以这样想：水的化学性质决定了它对电磁波谱的哪一部分是透明的。但这些化学性质与太阳产生光的机制无关。 太阳是一个核聚变反应堆：它结合原子核并产生光；在这个过程中，它会变得非常热[需要引用]。 物理学中有一条定律**：任何温度高于绝对零度的物体都会发光，而光的波长取决于物体的温度。 例如，体温相同的物体（比如你）大多会发出不可见的红外光，而表面温度为 5,500°C 或 10,000°F 的太阳，大多会发出波长在 300 至 700 纳米之间的光。 300 到 700 纳米之间？ 这听起来很熟悉：正如你现在所知，这几乎就是我们称之为可见光的电磁波谱范围。而水可以透过的光谱范围也与此相同。 但正如我所说：我们称之为太阳的核聚变反应堆与水的化学性质无关。没有理由认为，照射到地球上的大部分光恰好也是能够很好地穿过水的光。 那么，宇宙巧合真的存在吗？ 嗯，也许吧。 旋转恒星温度旋钮让我们设想一些其他的情景。如果我们最终拥有一颗与太阳截然不同的恒星会怎样？ 太阳可能是一颗体型更小、温度更低的恒星（红矮星），也可能是一颗体型更大、温度更高的恒星（蓝巨星）。 红矮星的最大光输出在红外范围内，能量低于可见光，而蓝巨星在紫外线范围内产生最多的光 （此时，您的 SPF 30 防晒霜就没用了，所以最好涂一些 SPF 500 的防晒霜）。  在这两种情况下，到达地球的大部分光线都会超出可见光范围。蓝巨星的紫外线无法穿透海洋，因此无法成为海洋的可行能源；红矮星的红外光也是如此。 我们当然不知道在这样的替代情景下生命会是什么样子。 植物——如果它们进化出来的话——很可能不会专注于吸收可见红光，而太阳发射出大量的红光。 相反，它们会寻找其他波长的光作为更合适的能量来源，甚至可能存在叶绿素以外的分子来吸收光——这意味着植物的颜色可能并非绿色。 但话说回来，“绿色”的概念只有对我们这些适应特定电磁波谱的生物才有意义。或许我们进化出了眼睛，认为绿色不是波长为550纳米的光，而是波长为750纳米的光。 人择原理水并非宇宙和地球完美地协调一致以支持我们以及我们熟悉的生命形式的唯一例子。还有很多其他“宇宙参数”可以想象： 比如增加或减少空间维度（例如，在二维世界中旅行，可以考虑平面国），将常数π设为4而不是3.1415…… （省去了计算更多位数的麻烦），或者降低引力强度（当然会让你的机票更便宜）。 但出于某种原因，这种结合使得我们人类能够存在并体验它——并且想知道为什么它会是这样的。 解决这个谜团的方法之一是人择原理：它指出，当我们发现自己处于允许我们以现在的方式存在的条件下时，我们不应该感到惊讶——因为根据定义，在不允许我们存在的条件下，我们不可能生存。 想象一下假设的众多可能的宇宙：也许其中一些是二维的；在另一些宇宙中，水阻挡了所有的光，在很多宇宙中，原子甚至不存在。 那么，显然，我们不会发现自己身处其中一个宇宙，然后感叹“有意思，这个宇宙看起来像个充满敌意的地方，永远不可能支持人类！”。 不，我们会在说出第一个字之前，就消失在一阵逻辑的漩涡中。 所以，让我们感恩，因为有一个地方可以称之为家，一个拥有一系列特定物理特性、让我们得以生存的地方。即使这意味着我们偶尔会被晒伤，并疑惑水究竟为什么是透明的。 感谢您与我一起踏上这段旅程。 如果你想知道为什么作者一直坚持水是透明的，而海洋显然不是： 事实证明，如果你选择合适的红光波长，你就能使H2O中“O”和“H”之间的联系发生振动。 因此，水会稍微吸收红光，使其呈现蓝色，因为到达眼睛的蓝光比红光多。但这种效果非常轻微，需要大量的水才能发挥作用。 *据我所知，这片光谱虚线区域似乎存在一个微小的神奇点，低能X射线可以更好地穿过——这里有一篇很短的维基百科文章。 虽然我没有精确的衰减值，但我有根据地猜测，水对可见光的透明度比对这些低能X射线的透明度更高——如果你知道更多信息，请随时纠正我！ **这被称为普朗克定律，也是我计算不同恒星类型光谱的方法。 |
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