神奇酷科學（10）：變幻莫測的光

得獎紀錄：‧ 三度榮獲英國皇家學會科學書獎（Royal Society Prizes for Science Books，原艾凡提斯科學書獎）！此獎又被稱為科學書的布克獎，由英國皇家學會設置，分為成人獎及青少年獎兩大獎項，其中青少年獎的對象是適合十四歲以下兒童閱讀的科普讀物，而且評審方式非常特別：先由五位成人評審挑出六部入選作品，再交由十四歲以下學童票選決定得主。
‧ 英國銷售突破千萬冊，全球銷售達千萬冊。已翻譯成38種語言，通行超過二十個以上的國家。名人推薦：‧ 本書綜合知識小檔案、小測驗、趣味漫畫，以及易懂好讀的文字，讓科學變得很有趣，...

看見光明
太陽漸漸西沉，墜落到德國的布洛肯山後。天空漸漸轉
暗，幾分鐘之內，山裡的一名登山者已經看不清腳下的羊
腸小徑了⋯⋯他開始感到害怕。
「快來了！」他心想：「『它』隨時都有可能出現。」他
焦慮的看了一下錶。
「振作起來！」他對自己說：「你是一個科學家，一定可
以找到合理的解釋，證明這座山裡根本就沒有鬼。」
但是他的身體在發抖，並感到口乾舌燥，甚至開始懷疑自
己在黑暗中能否找到下山的路？一把冷汗從他的脖子滑落。
突然，他的心臟怦怦亂跳，脖子後的寒毛直豎！不知道為
什麼，他不用回頭就知道身後有東西接近⋯⋯某個人⋯⋯或
是某種東西也在這座山裡，而且就站在他的背後！
他想回頭，脖子卻僵硬得不能動。但後來，他還是強迫自
己轉身，嘴巴立刻因為恐懼而張大。在他身後，一個巨大
的黑影飄浮在雲霧之中。這個黑影好像被懸掛在稀薄的空
氣中，它的邊緣發出詭異的光芒，描繪出一個令人發毛的
輪廓。更可怕的是，這個東西好像正靜靜的盯著他，似乎
正在等待機會⋯⋯
等著撲向他！
有好一陣子，這個登山者好像被催眠了，全身動彈不得，
但接著他強迫自己做出反應。他用發抖的手拿出一本小筆
記本，以及一小節被咬過的鉛筆，然後在筆記本上寫下難
以閱讀的潦草字跡，同時不停驚慌的喃喃自語。
「神奇的現象。」他一再重複的說：「太神奇了，我必須
⋯⋯趕快逃命！」
當登山者轉身逃到另一條小徑上，這個巨大的黑影好像突
然活了起來，緊追著登山者的腳步。不管這個黑影是什麼
怪物，它就是追著他不放，而且從頭到尾靜悄悄，但移動
的速度卻愈來愈快。
最後，終於伸出它陰暗的手臂⋯⋯
「別慌！」這位科學家突然頓悟：那個黑影其實只是他自
己的影子。這個詭異但真實的現象就叫布洛肯光，它的名
字源自布洛肯山，因為在那裡常常可以發現這種現象。如
果你在黃昏的時候爬布洛肯山（這不是很安全的決定⋯⋯
所以千萬不要單獨行動），這時在低空的太陽會把人的影子
投射在附近的雲上，然後產生這種巨大又詭異的影子。但
這只是眾多又酷又神奇的光學現象之一而已。
繼續閱讀下去，你會讀到更多「閃亮」的真相。

陰沉的想法
呃，你真的把燈關掉了？嗯，現在把燈打開，閱讀以下這
一段⋯⋯
你一定認為光的出現和消失都很容易，對不對？每天早上，
不論你有沒有起床去打開開關，天空都會逐漸變亮，因此人
們總是把光視為理所當然，沒有什麼了不起。
但是，光真的很了不起！
想想看，如果明天早上太陽不升起，全世界的燈泡都破掉⋯⋯
再想像一下，如果連最遙遠的恆星也不發光，世界將會變
得又冷又暗，危險又恐怖。因為沒有光可以照明，人們將撞
成一團，還會踩到貓、撞翻價值連城的擺設，或是踩到香蕉
皮而摔跤⋯⋯
還不只這樣！所有需要光的工作，統統不能做！

名稱：光
基本資料：光線來自太陽或熱得發光的物體，例如
蠟燭。什麼？你早就知道了？嗯，那你知道沒有熱也
能發光嗎？
閃亮的細節：有些種類的光源和熱沒有關係，例如
神祕的發光生物以及可以在黑暗中發光的螢光物質。

閃亮大考驗
沒有陽光，你將看不到⋯⋯
1. 彩虹　真的／假的
2. 月亮　真的／假的
如果完全黑暗⋯⋯
3. 鏡子裡不會浮現你的臉。　真的／假的
4. 旅行時不能拍照。　真的／假的
5. 響尾蛇偵測不到你躲藏的地方。　真的／假的

答案：
1. 真的。當陽光照在水珠上，就可能形成彩虹。陽
光通過水珠後會分解出不同的色光（想知道多采多姿的
細節，請參閱第 30 至 34 頁）。事實上，月光也能形成彩
虹，只是這種彩虹的顏色太暗淡，肉眼無法看見。
2. 真的。月亮本身並不發光，銀白色的月光是月球表
面反射太陽光的結果。不過月球的表面遍布岩石和塵埃，
所以只能反射部分的陽光；如果月球表面是由冰層所覆蓋
的話，反射效果會非常好，月亮幾乎和太陽一樣亮。
3. 真的。鏡子能照物是因為它能夠反射光線。你要在
黑暗的浴室裡照鏡子，誰也管不著，但是如果沒有光線，
鏡子根本不可能反射你的影像。順道一提，根據古老的傳
說，如果你是吸血鬼，無論有沒有光，鏡子都不會顯示你
的影像。
4. 真的。想像你到一個陰森森的洞穴裡挖地洞，卻忘
了帶手電筒。糟糕，你沒有辦法照相，因為只有當光線照
射在底片上，底片上面的化學藥劑才會顯示影像。
5. 假的。響尾蛇的頭部兩側各有一個凹窩，裡面有溫
度感測器，可以察覺溫度的變化，偵測人體發出的熱能，
使牠在黑暗中也能鎖定目標！真是令人沮喪！所以如果你
為了躲避響尾蛇而打算鑽進陰暗的碗櫥，絕對不是一個明
智的決定。

光的奧妙
光照耀了你的生命，而且如果仔細研究，你還會發現光的
更多奧祕⋯⋯例如你知道光不但是一種波，還是一種粒子嗎？
光子不會靜止，而且是以光波的形式高速飛馳。光波的波
長很短，以下這個句點的直徑就可以塞進數百個光波波長。
光子聽起來很怪異，對不對？你可以把光子想像成具有
特異功能的迷你超級英雄，在空中穿梭飛翔⋯⋯以下是其中一
位超級光子的故事。啊，在你開始讀下去之前，我還必須告訴
你：原子是物質的最小單位。在我們已知的宇宙中，所有的東
西─包括你、我和這本書，都是由不同的原子以不同的方式
組合而成的。

超級光子最不可思議的不是它的特異功能，而是它
「一點也不特別」！如果你想要製造光子，只要對物體輸入能
量，例如：把物體加熱到發光。這就是為什麼你早上烤麵包
時，烤麵包機的零件會熱到發紅；或是打開電源開關時，燈泡
會發光。因為原子核外的電子接收能量後加速運動，於是以光
波的形式發出光子。
光波是由電波與磁波所組成的，這兩種波會交互變化並朝
同一個方向前進；因為電場和磁場缺一不可，所以科學家把它
們統稱為電磁波。

動手做：光的性質
實驗之前：
用廚房的鋁箔紙包住小型手電筒的燈罩。用鉛筆筆尖
刺出一個直徑2毫米的小孔。
在方形的玻璃瓶裡裝水，高度大約9公分，然後加一滴
牛奶，並攪拌均勻；這時瓶內的水應該有一點混濁，但
還是半透明的。

實驗 1
1. 把玻璃瓶放在深色的物體前面，例如一本黑色的書或深
色的壁紙。
2. 將手電筒的燈罩貼緊瓶壁，然後打開手電筒，可以看到
水中出現光束。
3. 調整手電筒的角度，讓光束朝上射向水面。
你會發現什麼？
a. 光線像老舊電視機發出的光一樣閃爍不停。
b. 光線朝四面八方發散開來。
c. 部分或全部光線以某個角度從水面反彈向下。
實驗 2
現在把手電筒放在離瓶壁 5 公分的地方，調整
手電筒的角度，讓光束以各種不同的角度射向瓶壁。
你會發現什麼？
a. 當光線穿過玻璃瓶壁後會突然轉向另一個方向。
b. 移動手電筒時，水突然沸騰並冒出氣泡。
c. 不管怎麼移動手電筒，光束永遠都是同一條直線。

答案：
1. c。部分或全部光線會從水面反彈（反射）向下。
而且因為水面非常平坦，所有被反射的光子都會射往同一
個方向。
2. a。光並不一定是直線前進。當光由空氣進入水中
時，速率會減慢為每秒 224900 公里（這是因為光子必須
推開水中的原子才能前進⋯⋯想像一群跑步的人試圖穿越
群眾的情形）；當一道光束斜斜射進水中，比較快進入水
中那一側的光子會先減速，而改變了整束光的前進方向。

答案：不，科學家將光線轉彎的現象稱為「折射」。
翻到下一頁，看看他
們如何研究……

你一定不知道！
1. 當你對原子輸入愈多能量，原子發出的光波就
會振動得愈劇烈……如果你希望說話像科學家
一樣專業，還可以說：「我正在提高電磁波的
頻率。」
2. 如果輸入原子的能量是由零開始逐漸增加，原
子最早發出的電磁波可能會是無線電波，再來
是不同顏色的光（由紅色慢慢轉成紫色），接
著發出紫外線―一種看不到但能量很高的電
磁波……如果能量持續增加，最後還會釋放要
命的伽瑪射線（γ射線）。
3. 你可能會好奇：當光子撞到東西後會發生什麼
事？嗯，請記住，光子只是一團能量而已，當
它撞到原子，能量被吸收之後，就要跟我們說
再見了！不過光子的本領可不只是飛來飛去而
已……

到目前為止，你應該已經發現⋯⋯
1. 光比你所看見的還複雜⋯⋯
2. 光既神奇又超酷。
不過，你可能也會感到困惑。如果光子那麼小，速度又那麼
快，科學家怎麼能暸解它們？我的意思是，他們又不能用網
子抓住幾顆光子來好好研究。嗯，這一切都要感謝許多聰明
的科學家，他們貢獻自己的智慧來揭開光的真相。

看見光明
太陽漸漸西沉，墜落到德國的布洛肯山後。天空漸漸轉
暗，幾分鐘之內，山裡的一名登山者已經看不清腳下的羊
腸小徑了⋯⋯他開始感到害怕。
「快來了！」他心想：「『它』隨時都有可能出現。」他
焦慮的看了一下錶。
「振作起來！」他對自己說：「你是一個科學家，一定可
以找到合理的解釋，證明這座山裡根本就沒有鬼。」
但是他的身體在發抖，並感到口乾舌燥，甚至開始懷疑自
己在黑暗中能否找到下山的路？一把冷汗從他的脖子滑落。
突然，他的心臟怦怦亂跳，脖子後的寒毛直豎！不知道為
什麼，他不用回頭就知道身後有東...

沒有公式的光學書　
　　在物理學發展的歷程中，光學一向是最具爭議性的！不同
世代的物理學家前仆後繼的追問一個重要的問題：「光」是粒
子還是波動？
　　從十七世紀惠更斯的「波動說」與牛頓的「粒子說」之爭
開始，這兩大科學陣營就不斷進行實驗與爭論，後來湯瑪斯‧
楊以不可思議的雙狹縫干涉實驗，似乎讓光的波動說贏得了暫
時的勝利；但是科學的進展永遠是那麼變幻莫測，就像宋朝陸
游《遊山西村》所描述的「山重水複疑無路，柳暗花明又一
村」，20 世紀愛因斯坦提出了「光電效應」，讓光的粒子說重
新站上與波動說並駕齊驅的地位⋯⋯變幻莫測的光，真是讓人
既困惑又心慌！
　　但光為什麼這麼神祕呢？原來光的行為不是單純的波動性
或粒子性可以解釋的，而是有些特性像波動，有些特性又像粒
子，但是波動和粒子又是兩種相互排斥、不能共存的狀態⋯⋯
直到現在，科學家還是無法完全掌握光的本質，只好使用一種
妥協性的說法：「光具有波粒二象性」來描述光兼具粒子和波
動的特性。
　　本書作者以淺顯又風趣的筆法，將光的波粒二象性做了深
入淺出的介紹，達到了科普讀物最難展現的親和力。相信閱讀
本書之後，讀者對於不同時代光學的研究與應用將會有更深入
的認識；更特別的是，在每個單元之中，作者都會刻意「要
求」讀者暫時放下書本，利用簡單的材料與工具動手做，體驗
光學現象的意義。對於國中小的讀者而言，利用實作來驗證科
學理論是非常重要的學習方法。
　　科普作品最難達到的境界就是：捨棄了艱深的公式，還能
完整說明科學的觀念；因為國內的科學教育是將觀念與公式緊
緊綁在一起，不用任何公式來說明科學是很困難的，因此在坊
間很難找到一本完全不涉及任何公式的物理入門書。但是本書
做到了，這點非常難能可貴！讀者閱讀本書時不會遇到令人「
心慌慌」的光學公式或術語，反而能感受光學如何與生活密切
相關，這真是一本老少咸宜、內容豐富又可以實作的優良科普讀物。

沒有公式的光學書　
　　在物理學發展的歷程中，光學一向是最具爭議性的！不同
世代的物理學家前仆後繼的追問一個重要的問題：「光」是粒
子還是波動？
　　從十七世紀惠更斯的「波動說」與牛頓的「粒子說」之爭
開始，這兩大科學陣營就不斷進行實驗與爭論，後來湯瑪斯‧
楊以不可思議的雙狹縫干涉實驗，似乎讓光的波動說贏得了暫
時的勝利；但是科學的進展永遠是那麼變幻莫測，就像宋朝陸
游《遊山西村》所描述的「山重水複疑無路，柳暗花明又一
村」，20 世紀愛因斯坦提出了「光電效應」，讓光的粒子說重
新站上與波動說並駕齊...

前言
科學令人心慌慌，因為聽不懂讓人發慌。
例如你每天都會看到陽光或燈泡所發出的光，這些現象是
這麼平常，平常到讓你認為光的科學很簡單！
你錯了！光的科學非常困難。想要弄懂光的科學，比敲碎
上學期營養午餐留下來的乾豌豆還要難，光學的謎團比一大團
糾纏不清的麵條還難以解開。
看到了沒？光的科學真是令人心慌。但如果請科學家來
解釋光的科學，情況會更糟！你一定會得到一長串聽不懂的名
詞，加上許多複雜到令人心慌的科學原理⋯⋯

很難懂，對不對？難怪科學常常把你嚇得渾身發抖。
不過，現在事情有了轉機！只要你找個安靜的地方坐下
來，開始翻閱這本書，本書將為光的科學帶來一線曙「光」！
書中將介紹許多令人興奮的知識，例如眼球的功能、雷射手
術、鬼火，以及光學知識中比較黑暗的部分。但這些知識將帶
給你閃亮的一天⋯⋯尤其是當你拿一些很有心機的問題去為難
老師的時候⋯⋯

利用這些新學到的光學知識，你就可以把老師逼問到陰暗
的角落。誰知道呢？說不定你未來將是科學界的燈塔，享受成
為眾人目光的焦點！所以，現在只剩一個問題了⋯⋯
你是不是夠聰「明」到讀完這本書？

前言
科學令人心慌慌，因為聽不懂讓人發慌。
例如你每天都會看到陽光或燈泡所發出的光，這些現象是
這麼平常，平常到讓你認為光的科學很簡單！
你錯了！光的科學非常困難。想要弄懂光的科學，比敲碎
上學期營養午餐留下來的乾豌豆還要難，光學的謎團比一大團
糾纏不清的麵條還難以解開。
看到了沒？光的科學真是令人心慌。但如果請科學家來
解釋光的科學，情況會更糟！你一定會得到一長串聽不懂的名
詞，加上許多複雜到令人心慌的科學原理⋯⋯

很難懂，對不對？難怪科學常常把你嚇得渾身發抖。
不過，現在事情有了轉機！只要你...

目錄
看見光明 10
靈光一閃的科學家 24
有眼無珠 44
炙熱的陽光 58
黑暗之光 75
令人心慌的反射 92
光線會轉彎 109
顏色的魔術 124
超強雷射 142
前途一片光明 154
神祕的光大考驗 159
超酷索引 169

目錄
看見光明 10
靈光一閃的科學家 24
有眼無珠 44
炙熱的陽光 58
黑暗之光 75
令人心慌的反射 92
光線會轉彎 109
顏色的魔術 124
超強雷射 142
前途一片光明 154
神祕的光大考驗 159
超酷索引 169