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《看不见的光》循隐匿光芒之迹，揭开无形世界背后的神秘真相
铛铛铃2025-09-13【科普】707人已围观
简介
今天为您解读的这本书叫《看不见的光》，副标题为“从红外线到 X 光：电磁波发现趣史”在很多人眼里，光就是一种能被看到的物质。但其实，还有很多我们看不见的光，比如红外线、紫外线、无线电波、微波、X 射线、伽马射线。你看不见、听不到、闻不着，也感觉不出它们的存在，但它们却与你的生活息息相关。多亏了这些看不见的光，你才能和朋友聊微信、用微波炉加热食物、靠 GPS 导航、做 CT 检查身体等等。
那么，这些光既然看不见，它们是怎么被人类发现的呢？都说光有辐射，那使用微波炉、用手机照 X 光，对身体到底有没有伤害呢？今天的这本书将为你详细解答这些问题。
本书作者鲍勃·伯曼，是美国著名的天文科普作家。他曾为《发现》杂志的天文科普专栏撰稿17年，还曾担任美国东北公共广播电台《奇妙的宇宙》的节目主持人。他的这本《看不见的光》出版后，受到了《华尔街日报》《出版人周刊》《书单》《美国学者》等美国媒体的高度评价。
这本书共分26章，从时间的维度介绍了在科学发展历程中，人们认识各种电磁波的过程，以及它们各自的特点。下面我把本书内容归纳整理成三个问题，给您讲解。
第一，为什么有的光可见，有的光不可见？
第二，都有哪些不可见光，它们各自有什么特点？
第三，我们如何避免不可见光带来的危害？
先来讲本书的第一个问题：为什么有的光可见，有的光不可见？
要想回答这个问题，我们得先从人类对光的认识过程讲起。近代科学对光的认识，首先是从可见光着手的。太阳光是人们生活中最常见、最明亮的可见光，因此众多科学家都沉迷于对它的研究。17世纪，物理学家牛顿认为，光是一种极其细小的微粒，不同颜色的微粒混合成了白光；而同一时期的物理学家惠更斯，则有不同的看法，他认为光就像海浪一样，是一种波。微粒说和波动说的争论，一直持续了两个世纪，直到19世纪，苏格兰物理学家麦克斯韦，才进一步揭开了光的本性。
1865年，他宣称光是一种电磁现象，是一种可以自我维持的电磁波。具体来说，光是由互相垂直、不可分割的电波和磁波组成的复合体，这两种类型的波互相激励，使得光能够持续传播。同时，他还用数学的形式，也就是麦克斯韦方程组，把光的存在与传播模型表示了出来。
那么，光作为一种电磁波是怎么产生的呢？我们知道声波是因为振动产生的，比如人的声带振动可以发声。1896年，荷兰物理学家洛伦兹指出，光的产生本质上也是一种振动，不过它是源于极其微小的原子的振动。当原子受到能量的冲击，比如受热、有电流快速流过，或外来粒子的撞击，原子内部就会剧烈振动。振动的表现就是，电子向远离原子核的方向发生迁移，但实际上，电子并不喜欢待在远离原子核的位置，它们又会很快向原子核靠近。在电子向原子核靠近的过程中，就会释放出电磁波，也就是光。后来科学家证实，电子的振动是光产生的唯一原因。
但光作为一种电磁波又特别神奇，它不但表现为波，有时也表现为一种粒子。在量子物理领域，又把每一个周期的光波称为一个光子，这就是光的波粒二象性。
光既然是一种电磁波，那么人眼为什么又能看到它呢？这是因为视网膜上存在一种特殊细胞——锥体细胞。锥体细胞能接收某些特定波长的电磁波，并转化为神经传导信号，再通过视神经传导给大脑视觉中枢，于是我们就能感觉到光。人视网膜上的锥体细胞有600多万个，它们分工不同，分别负责接收不同波长的电磁波。但总的来说，锥体细胞可以接收波长在400到760 NM 之间的电磁波，只有这一范围之内的才是可见光。人的视觉中枢，又把接收到的不同波长的电磁波，翻译成不同颜色。其中接收到的波长最长的光被翻译成红色，波长最短的被翻译成紫色，位于它们之间的其他波长的电磁波，又被翻译成橙、黄、绿、青、蓝等不同的颜色，这才让我们获得了一个五彩斑斓的视觉世界。
对于正常人眼来说，颜色越靠近光谱中心也就越敏感，因此正常人对绿光最敏感。研究表明，这可能是因为人类在长期进化中形成的。远古人类长期居住在森林中，看到最多的颜色就是绿色，这让人眼逐渐对绿光变得极为敏感。但也不是所有人都对绿光敏感，比如红绿色盲的人，他们缺乏能接收红光或绿光波长的锥体细胞，因此分不清红色和绿色。在他们的世界里，只有蓝色和黄色两种鲜艳且明亮的颜色，他们也无法真正感受世界的多彩。很多动物也有色盲，比如所有的狗和大象都是红绿色盲。还有一些动物的视觉系统，要比人类略微强大一些，比如一些鸟类，就能看到比紫光波长稍短一些的电磁波，所以和人类看到的蓝天相比，它们看到的天空更紫一些。
总之，不管是人类还是动物，眼睛能接收到的电磁波的范围都极其有限。但看不见不代表不存在，在现实世界中，有各种波长的电磁波，最长可达几千米，最短的则小于1‰纳米。它们的波长并不在眼睛可接受的范围内，我们就称之为不可见光。
好，以上就是这本书的第一个问题：为什么有的光可见，有的光不可见。因为光的本质是一种电磁波，人眼中的锥体细胞能接收一定波长范围的电磁波，并通过大脑视觉中枢翻译成不同的色彩，那些不能被锥体细胞接收的电磁波，就是不可见光。
那么，既然不可见光不能被人眼接收，它们又是如何被人们发现的呢？下面我会按照发现时间的先后，带你了解六种不可见光：红外线、紫外线、无线电波、微波、X 射线和伽马射线。
我们先来讲讲红外线，它是人们最早发现的不可见光，发现者是英国著名天文学家威廉·赫歇尔。他在天文学史上鼎鼎大名，天王星就是他于1781年发现的。赫歇尔热衷于太阳光的研究，他发现阳光普照下，不同颜色的玻璃温度也不同。为了弄清热量的差别，赫歇尔让太阳光通过一个三棱镜射在桌面上，就能产生包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光谱。赫歇尔在每种颜色的区域，都放置了一枚温度计。过了一段时间，他发现温度计的读数都有所上升，但幅度不同，红光区上升的幅度最大，紫光区最小。为什么红光看起来并不比紫光明亮，温度上升的却比紫光要多呢？正当赫歇尔百思不得其解时，太阳西斜让他有了更加惊人的发现。由于太阳移动，光谱的位置也发生了变化，原本红光的区域变成了阴影区，可是温度反而升高了。赫歇尔又反复实验，都得到了同样的结果。他认为在红光外一定存在某种看不见的射线，他称之为发热射线，后来人们又把它叫做红外线。
红外线之所以被称为发热射线，是因为它有很好的加热效果。你晒太阳觉得暖洋洋的，主要是因为太阳光中红外线的功劳。那么红外线为什么有这种功能呢？前面我们讲到，可见光是因原子中电子的振动产生的，红外线的波长要比可见光长，在一毫米左右，大概相当于一根针的宽度。这个波长的电磁波有个特点，就是很容易引发原子和分子的振动，而热的本质就是原子和分子的振动，这就是为什么红外线有很好的加热效果。在可见光中，红光的波长和红外线最为接近，因此它也有一定的加热物体的能力，而紫光则要差很多。也正是因为红外线的存在，太阳才能把大量的热量传递到地球上来。
不仅太阳能发出红外线，发热的物体都能释放出红外线。比如你坐在远离篝火的地方，也感到暖洋洋的，这不是因为篝火加热了空气，而是篝火产生的红外线射到了你身上。因此人们就利用红外线的这一特点，制造了许多仪器。比如红外线夜视仪，它能在伸手不见五指的夜晚，发现人或其他生物。虽然在夜里，人或其他生物不能反射光线，却因为自身发热能发出红外线，就能被仪器捕捉到。再比如医院中的红外线治疗仪，它通过红外线对身体的一些部位进行加热，加速局部组织的血液循环与新陈代谢，起到加速伤口愈合的效果。
赫歇尔发现红外线的一年以后，也就是1801年，德国的一位叫约翰·里特尔的科学家发现了紫外线。当时的科学界广泛受到二元极性思想的影响，也就是自然界的现象都应该是成对出现的，有阴就应该有阳，有正就应该有负。因此里特尔就设想，既然红光外有看不见的发热射线，那么在紫光外就应该有冷却射线的存在。他反复实验，却没有发现紫光外的区域温度降低了。里特尔决定另辟蹊径，既然找不到物理变化，那就寻找有没有化学变化。于是他想到了氯化银，浸泡过氯化银的试纸受到光照就会变黑，原因是氯化银分解成了氯气和颗粒状的黑色的银。当他把浸泡过氯化银的试纸，放到紫光外的阴影区域时，发现试纸变黑的速度比在可见光下还快。氯化银分解是一种还原反应，于是里特尔推断，紫光之外存在一种看不见的、能还原物质的射线，他称之为还原射线。因为这种射线能够使物质发生化学变化，有人又把它称为化学射线，它们都是紫外线最早的名字。
紫外线是波长只有几十 NM 的电磁波。对于电磁波来说，波长越短，振动频率也就越高，高频率代表着高能量，紫外线就是这样一种高能射线，它可以直接把电子从原子中剥离出来，这就是电离现象。电离现象相当于破坏了原子的结构，如果一些有机体的原子被电离，功能就会受到破坏，严重时甚至会死亡。人们利用紫外线的这种功能，制造了紫外线消毒设备，紫外线破坏了细菌等微生物的原子结构，起到了杀菌的效果。当然，紫外线也会对人体造成伤害，阳光中含有紫外线，如果过量照射会伤害皮肤，甚至破坏人体细胞中的 DNA ，诱发癌变。
人们发现的第三种不可见光是无线电波，它的波长比红外线更长。麦克斯韦在提出光是一种电磁波之时，也通过麦克斯韦方程组预言，有波长很长的电磁波存在。1886年，德国物理学家赫兹利用电火花装置，率先制造并检测出了这种波长很长的电磁波，它就是无线电波。无线电波的波长有多长呢？大致在几米到几千米的范围内。它还有一个特性，就是能拐弯，可以轻易地通过反射、折射绕开山峰等障碍物，最远可以传播到几千千米之外。
利用无线电波的这一特性，1897年，意大利科学家马可尼发明了无线电报，他率先在英吉利海峡两岸的英国和法国，实现了无线电通信，也就是无线电报。随后，这一技术被推广到了全世界。1912年，著名的泰坦尼克号在北大西洋撞到冰山沉没，导致1500多人丧生。好在从1911年起，轮船开始普遍配备无线电装置，在附近海域航行的卡帕西亚号很快就接收到泰坦尼克号的求救信号，救起了救生艇上的700多人。广播节目也是通过无线电波来传递声音的，你可能听到过某个电台是多少千赫、多少兆这样的说法，赫是赫兹的简称，是频率的单位，光速除以波长就等于频率。理论上说，无线电波的波长越长、频率越低，拐弯的能力也就越强，再呈曲面的地表传播距离也就越远。但在现实中，无线电波的信号传播的距离是有限的，因为它非常容易受到干扰，比如相近频率的无线电波也会相互干扰，空气中的灰尘、云雾也会让信号衰减，雷电等自然现象更会严重地干扰无线电信号，导致信号无法传输。
为了让信号更稳定，人们就把无线电波中波长较短、频率较高的部分独立出来使用，它就是微波。微波的波长通常在一毫米到一米之间，和波长更长的无线电波相比，微波虽然不善于拐弯，但具有较强的直线穿透力，不容易受到干扰，比如它能轻易穿透云而信号不减。现在日常生活中的大部分通讯信号，比如手机信号、无线 WIFI 等都属于微波范围。在全球 GPS 定位系统中，卫星与地面通讯的信号也是微波，军事、气象以及高速公路上测速的雷达，也同样用的是微波。
不过提起微波，你可能首先想到的还是微波炉。前面我们讲到红外线有加热物体的功能，微波的波长比红外线还要稍长一点，也同样有加热物体的能力，但微波的加热效果更加有针对性，它可以使水分子发生非常剧烈的震动。食物的内部一般比表面含水量丰富，通过加热食物内部的水分子，微波炉就能对食物进行由内而外加热，效率更高。当然，这种加热方式也会让水分子大量流失，这也是为什么微波加热的时间太长了，食物会变干的原因。
无线电波被发现后不久，在19世纪末20世纪初，人们又发现了 X 射线和伽马射线。X 射线又称 X 光，在医院中应用的最多。它最早的发现者是德国科学家伦琴。1895年，伦琴发现了一种非常神秘的现象，当高压电通过一根真空的玻璃管之后，就会产生一种奇特的看不见的能量束，纸板、铝板等似乎都挡不住它，这种能量束甚至还穿过伦琴妻子的手臂，在一张感光底片上留下了她清晰的骨骼轮廓，吓得妻子连连大叫道：“我看见了死亡的征兆！”伦琴最终用数学中表示未知数的 X 来命名这种射线，称为 X 射线。
X 射线刚被发现时，人们并不知道它本质上到底是什么，大约十几年后，科学家们才认识到它也是一种不可见光，只是它的波长比紫外线还要短，在0.001 NM 到10 NM 之间。波长越短，能量越大，所以 X 射线才会穿透纸板、铝板和人体。利用 X 射线的穿透力，人们制造了 X 光机，帮助医生诊断骨骼、内脏等疾病。因为 X 射线虽然能穿透人体，但不同组织的穿透率是不同的，比如骨骼的穿透率就比较低，和其他组织有明显的差别，所以显现出了清晰的骨骼轮廓。
不过和紫外线一样，X 射线同样能破坏原子，而且比紫外线的破坏力更强，对人体的危害也就更大。所以在照 X 光片的时候，医生会给患者身体的其他部分穿上铅衣或盖上铅板，因为金属铅能够很好的吸收 X 射线，5 cm 厚的铅板就能完全阻隔它。不过在100多年前，X 射线刚被发现之时，人们尚没有认识到这种危害，科学家们研究时也没想过要防护，比如伦琴就死于肠癌，有研究就认为这和他长期接触 X 射线有关。普通民众就更没有防护意识了，当时很多媒体甚至不少科学家，在不了解 X 射线的情况下，就大肆宣传它有杀死细菌、帮助身体恢复活力、刺激头发生长、治疗秃顶的功效，还有人声称它能让盲人恢复视力。总之他们认为 X 射线有保健功能，应该多照。
1898年，发明家爱迪生在纽约博览会上展出并推广了他设计制造的 X 光机，很快就被一抢而空。可是危害也随之显现了，一些长期接触 X 射线的人皮肤发红、溃烂、头发脱落。帮助爱迪生制作 X 光机的工匠达利，还因长期照射 X 射线，手臂溃烂到不得不截肢，并最终死于皮肤癌扩散。至此，人们在使用 X 射线的时候才开始注意防护。
不过说到危害，都比不过下面我们要讲的伽马射线，它是比 X 射线波长更短、能量更强的电磁波，也是人类最晚认识到的一种不可见光。20世纪中叶后，人类开始进行大规模核试验，制造核武器，伽马射线也开始进入人们的视线。最早发现伽马射线的是英国科学家卢瑟福。在核裂变的过程中，通常会放出三种射线：阿尔法射线、贝塔射线和伽马射线。前两种都是粒子流，其中阿尔法射线是氦原子核，一张纸就能挡住它；贝塔射线是电子流，近距离能灼伤人的皮肤，但几毫米厚的铝箔就能阻挡它。威力最大的是伽马射线，这也是核武器有巨大杀伤力的主要原因。伽马射线是波长小于0.001纳米的电磁波，它具有极强的穿透能力，20 cm 厚的铅板都无法阻挡它。因此，相较于紫外线、X 射线这两种高能电磁波，伽马射线的能量最大，对人体的危害也是最大的，一瞬间就可能将人体内原子的电子剥离，造成大量细胞死亡。但如果严格控制强度和作用范围，伽马射线可以用于癌症的治疗，能有效杀死人体局部的癌细胞。
以上我们讲完了本书的第二个问题，认识了红外线、紫外线、无线电波、微波、X 射线与伽马射线，划分它们的标准是波长，波长不同，它们也各有不同的特点。比如红外线能加热物体，无线电波和微波能传送信息，而紫外线、X 射线和伽马射线属于高能电磁波，有一定的危害性。
听到这里你可能要问了，既然不可见光可以被人们利用，但又存在不同程度的危害，那么，我们怎么才能避免不可见光带来的危害呢？这是我们今天要讲的第三个问题。
说到不可见光带来的危害，你可能常听说辐射这个词。辐射通常是指能够影响人体或其他物质的波或者粒子，我们前面讲的，包括光在内的各种电磁波都有电磁辐射，但并不是所有的电磁辐射都是有害的。比如无线电波，它的波长比可见光长，能量较低，不能破坏人体内的原子，不会造成伤害。有害的电磁辐射集中在紫外线、X 射线和伽马射线上，它们都能使原子电离，又被称为电离辐射。另外需要说明的是，辐射不仅仅是电磁波造成的，一些高速运动的粒子流也会带来辐射，前面我们提到的阿尔法射线、贝塔射线也是有害辐射，一样能破坏原子的结构。
为了表示辐射对于人体等有机体的影响，人们使用雷姆这个单位来表示辐射强度。如果人短时间内受到了700雷姆的辐射，大多数人最初会感到不适、恶心、虚弱、发烧，接下来几天内就会死亡。20世纪80年代，加拿大原子能公司曾经生产了一种机器，通过小剂量的伽马射线，对癌症病灶进行放疗。然而机器的软件却存在 bug ，运行错误时，会让瞬间的放射剂量达到7000雷姆。曾经有六名病人遭遇了机器故障，他们瞬间从治疗台上跃起，一边尖叫一边逃出治疗室，最终有三名病人因此丧生。
如今，原子能被人们广泛开发和使用，辐射问题也受到了越来越多的关注。事实上，如果有严格的防护措施，一些核设施是非常安全的。比如你住在核电站的边上，受到的辐射比住在火电站边上还小，因为火电厂排出的煤烟，也含有少量的放射性物质。作为普通人，我们更应该关注身边可能接触到的天然辐射和医疗辐射。
天然辐射是指一些天然物质所含有的辐射。比如你吃一根香蕉，大概会受到0.01毫雷姆，也就是1/100000雷姆的辐射，因为香蕉里含有放射性的钾元素。听到这里，你也不必吓得不敢吃香蕉了，因为0.01毫雷姆的辐射，对人体并没有影响。除了香蕉，土豆、啤酒、红肉等也具有微量的放射性物质，可以产生天然辐射。人体受到的主要天然辐射来自太阳，一般而言，海拔越高，受到的辐射也就越多。生活在海平面高度的人们，每年累积会受到360毫雷姆的天然辐射量，这大部分是来自太阳辐射。不过不要担心，每天一毫雷姆是一个正常值，对于人体并没有显著的影响。
还有一些天然辐射是需要人们警惕的，因为它们的强度较高，比如太阳和宇宙射线中含有大量的辐射，像刚刚提到的紫外线、伽马射线。幸好地球的磁场和大气层可以阻挡其中的大部分辐射，因此人们在地面上是相对安全的，但在高空飞行还是存在一定风险的。有研究表明，每飞行1600千米，就会增加一毫雷姆的辐射。假设你一年飞了30万千米，就会增加180毫雷姆的辐射，对于那些国际航班上的机组人员来说，面临的风险也就更大。
还有的天然辐射来自地下水，有些地区的地下水氡含量较高，比如在美国纽约州南部就有这样的情况。如果你住在有地下室的房子里，氡气就会顺着裂缝进入你的房间，每年增加250毫雷姆的辐射，因此应该避免住在这样的房屋里，或者给房屋装上排气扇，减少氡气的聚集。
我们除了受到天然辐射，还会受到人工辐射。比如你佩戴一块液晶手表，因为液晶材料有辐射，每年你会多接收0.06毫雷姆的辐射；你的房间里如果有两支烟雾探测器的话，你每年会多接收0.02毫雷姆的辐射，因为烟雾探测器通常含有微量的铀元素，它正是依靠微量辐射来感知烟雾的。不过这些跟医院的 X 光检查的辐射量相比，还是小巫见大巫了。你在医院照一次 X 光，可能要多受40毫雷姆的辐射；如果你是照 CT ，尤其是加强 CT 和全身 CT ，你可能受到的辐射有几百毫雷姆。有研究表明，美国平均每年每人受到的辐射大约是600毫雷姆，除了360毫雷姆是天然辐射外，其他主要都是 CT 等医疗检查造成的辐射。每2000个经历过一次 CT 检查的人中，未来就会有一人患癌。因此，过度的射线检查还是应该避免的，或者有些 CT 检查还可以用核磁共振替代，核磁共振不产生辐射，相对要安全一些。
相对而言，日常晒太阳时，紫外线给人体带来的有害辐射是极为微量的，即便是你在紫外线很强的青藏高原上暴晒一星期，受到的辐射也没有你照一次 X 光多。有些人可能会认为紫外线有害，那就别晒太阳了呗，这也并不可取，人们也离不开紫外线，因为它是你体内钙合成的好帮手。我们所说的晒太阳可以促进钙的吸收，主要指的就是紫外线能够促进维生素 D 的合成，帮助人吸收钙质，它的效率是极高的，在强烈的阳光下照射10分钟，产生的维生素 D 就相当于你喝200袋牛奶。还有研究认为，适当晒太阳可以帮助褪黑激素分泌，从而降低乳腺癌等一些癌症的风险。
当然，我们还是要预防强烈的阳光灼伤我们的皮肤。赤道等低纬度地区，以及青藏高原等高海拔地区，紫外线通常比较强。此外，海边和雪地里的紫外线也比较强，是因为沙滩、海水、雪地会产生漫反射效应，也就是向四面八方反射紫外线，让皮肤接收大量的紫外线。一般而言，棉质衣料的衣服可以阻止90%的紫外线，致密的牛仔布的防紫外线能力最高，几乎能隔绝所有的紫外线。对于裸露的皮肤，使用防晒霜就能有效隔离紫外线。在防晒霜的包装上会有 SPF 的字样，这是日光防晒指数的缩写。如果一个防晒霜上标注有 SPF 10的字样，那就代表着，如果当前紫外线强，一小时能晒伤皮肤，那么涂上这款防晒霜后，就可以在十小时内防止皮肤被晒伤。不过，如果你长时间待在户外，还是应该经常补涂防晒霜，因为汗液的稀释会很快让防晒霜失效。
除了紫外线，你现在可能常听到手机信号辐射的说法。手机信号使用的都是微波，波长相对较长，能量也不高，理论上它并不会引起原子的电离，也不会对人体产生危害。不过也有一些研究认为，长期近距离接触微波，可能会对人的大脑产生影响，只是因为手机的广泛使用只有十几年的时间，这种危害还没有积累到爆发的地步。不管微波是否有潜在的危害，要想避免它的影响，方法也很简单，那就是尽量让手机远离你的耳朵，距离增大一倍，微波信号强度就会衰减为原来的1/4。接打电话，使用免提或者尽量使用耳机，都是不错的选择。
以上我们讲完了本书的第三个问题：如何才能避免不可见光带来的危害。在日常生活中，我们可以通过降低不必要的医疗检查、控制长途飞行量、检查地下室是否氡超标等方法，大幅减少我们受到的辐射量。在晒太阳和使用手机时，我们也可以进行一定的防护措施。
到这里，本书的主要内容就为您讲完了。《看不见的光》不仅会影响人们在地球上的生活，还关乎到未来人类对宇宙的探索。人类用肉眼看到的点点星光，只是宇宙中很少的一部分，用仪器观测看不见的光，才能领略更为丰富多彩的浩瀚宇宙。但与此同时，人类脆弱的肉体是无法承受宇宙射线侵害的，如果要进行宇宙探索，甚至移民火星，如何预防宇宙射线的危害，是摆在人类面前的首要议题。
好，《看不见的光》就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期见。
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