当你从东方的地平线冉冉上升时，你将你的美丽遍洒每一片土地。虽然你在遥远的地方，你的光仍然普照大地。
阿肯那顿(Akhnaton)
《赞美太阳诗》(Hymn to the Sun，约于公元前1370年)
在阿肯那顿王统治下的古埃及时代，人们信仰的是一种已不存在的神教，崇拜的是太阳。人们认为阳光是神的注视。在那时，人们认为眼睛会放出光让我们能看见东西。视觉就和我们现在的雷达一样，眼睛放出光，直接接触被看见的物体。太阳射出它的视线，照亮尼罗河谷，并使河谷变暖，没有它的时候，除了星光，几乎看不见任何东西。以当时的物理知识，及那些礼拜太阳的人对他们宗教信仰的虔诚，把光视为神的视线似乎是一种合理的看法。3300多年后的今天，有一个更深奥却显平淡无奇的描述，赋予光一个更恰当、更好的解释。
波长×频率=波速
你坐在浴缸中，水龙头开始滴水，假定每秒滴下1滴水，这滴水造成了1个小水波，以极美的弧形慢慢散开。当水波碰到浴缸时会反射回来，反射回的水波强度减弱。在反射一两次后，水波就看不见了。而在水龙头那一边，每滴1滴水就有一道新的水波出现。每当水波冲到你的橡皮鸭时，它就一上一下地浮动。显然，水波高峰处的水位较高，低谷处的水位较低。水波的“频率”就是在一定时间内，水波波峰经过你所设定的观测点的次数——在我们举的例子中，频率是每秒钟1次。因为每滴水可以产生1个水波，产生水波的频率和滴水的频率相同。水波的“波长”就是连续的2个波的波峰间的距离——在我们举的例子中，波长约10厘米。可是，如果每秒有1个波峰经过我们的观测点，而波长是10厘米，那么，波速度就是每秒10厘米。你如果仔细想一下就会明白，波的速度就是波长乘以频率。
湖面水波形状
浴缸的水波和大洋中的水波都是二维的，它们从一点以圆圈的形式向外扩散。而声波是三维，从声波的波源向所有的方向传播。在波峰处，空气被压缩了一些；在波谷处，空气变稀薄了一点。你的耳朵能区分这些波的不同。如果这些波峰来的次数很频繁(频率高)，声波听上去就是高音的。
音调就是声波波峰撞击你耳朵的频繁程度。中央C代表的是每秒钟声波波峰撞击你的耳朵261次。我们称之为261赫兹[28]。中央C的波长是多少？如果声波可以用眼睛看得到的话，也就是说从一个波峰到下一个波峰间的距离是多少？在海平面，声音的传播速度大约是每秒340米(约每小时1100千米)。和浴缸中的水波一样，声波的波长也是波速除以波的频率。算下来，中央C的波长约为1.3米——大约是9岁小孩的身高。
声音不因人而异
有些人想出一些古怪的问题试图难倒科学的推理——其中一个问题是这样的：“对天生失聪者来说，中央C是什么？”这个问题很容易回答。中央C的频率还是261赫兹，这是一个极精确、单一的属于中央C的声音，不属于任何其他声音。如果你不能直接听到这声音，你可以借助仪器——示波器(oscilloscope)把它显示出来。当然，这和亲耳听到声音的感受完全不同——这种“听”用的是视觉而非听觉——可是，有差别吗？所有关于音调的信息都清楚地显示在那儿。你可以通过电子方式感受到和弦(chord)、断音(staccato)、拨奏曲(pizzicato)，及音色(timbre)。你可以认出中央C来。也许看到用电子方法显示的音调信息和亲耳听到的体验不同，可这也只是体验上的问题。即使暂时撇开像贝多芬这样的音乐天才，你就是全聋了还是可以体验音乐。
这也回答了另一个谜题：森林中有一棵树突然倒下了，如果没有人听到，那么树倒下时究竟有没有发出撞击声？当然，如果我们对声音的定义是，要有人听到才算发出声音，那么按此定义，这棵树就没有发出声音。可是，这种对声音的定义未免太高抬人类的重要性了，重要到宇宙万物唯人类是从。显然，如果一棵树倒了，一定会发出树倒了的声音。我们可以借助录音器将此声音收录在光盘中，并通过音响设备放出来，这样就可以听到这树倒地时发出的声音。因此，根本就没有什么不可解的谜题。
听力的范围
可是，人类的听觉不是很完美。我们听不到有些低频率(每秒少于20个波)的声音，但鲸鱼可以用这么低频率的声音来互相通信(或谈话)。大部分的成人也听不到有些高频率的声音(每秒超过2万个波)，可是，狗就可以听到(可以用一个高频率的哨子来叫狗，人还不会觉得吵)。有许多声音的音域超过人耳听觉的接收范围——例如，每秒超过100万个波的声音。我们的感官，虽然已经进化得极端敏锐易感，可还是有其物理上的基本限制。
我们用声音来互相交流。我们灵长类的亲戚们也是这样做的。我们是群居动物，而且对彼此的依赖性很强，所以必须相互沟通。因此，在过去的数百万年间，当我们的大脑以空前的速度在进化时，掌管我们语言能力的大脑皮层(cerebral cortex)也随之大幅进化，我们使用的词汇量也大为增加，我们能发的音也越来越多了。
当我们还是在狩猎采集时，我们制订每日计划、教育下一代、交友、警告他人有危险，以及在晚饭后，坐在火边看星星，聊天讲故事，这些活动都需要语言。最终，我们发明了音标的书写方法，可以把我们的发音写在纸上。我们只要瞄一眼纸上的符号，就可以在脑中听到别人说的话——这项发明在最近数千年中广为流传，使我们几乎忘了这是一项多么奇妙而伟大的发明!
语言无法立即传播到对方耳中。当我们发音时，我们发出的行波 (travelling wave)在空气中以声速传播。从实际感觉来看，声音的传播几乎是瞬时完成的，不花任何时间。可是，你的喊声只能传播到一定的距离。很少有人可以用喊声同另一个在100米外的人讲话。
近代以前，世界上的人口很稀少。我们很少有必要同100米外的人讲话。除了我们的家庭成员，几乎没有其他人会走近和我们交谈。在当时人口稀少的情况下，若有人走近要和我们说话，我们的态度通常是带有敌意的。民族优越感(这种想法使我们认为自己小社团里的任何成员都比别人要强)及生人恐惧感(一种对外人“先开枪再问是谁”[29]的恐惧)已深植于我们心中。这不是人类特有的习性，所有的猿猴及人猿都有类似的行为，许多其他哺乳类动物也有类似的行为。引发这种行为的部分原因是话语可以传播的距离太短了。
隔离创造不同的文化
如果我们与其他的人隔离了太久，我们就会逐渐朝不同的方向发展。例如，其他地区的战士不穿戴我们这里流行的鹰羽毛饰品，而穿戴豹皮。他们的语言也逐渐迥异于我们的。他们礼拜的神祇名字和崇拜的仪式也和我们的不同，奉献方式也不一样。隔离能产生不同的文化。人口稀少(指早期人类发展时期)加上限制性很强的交流方式促使文化隔离的产生。人科(包括许多已绝种的人类系)——在数百万年前，起源于一个非洲东部的小地区——逐渐流浪、分开、演变成不同的文化，最后，大家都变成了陌生人。
扭转这种趋势——各种族之间重新建立熟识的关系，使失联的人类种族重行团聚，把各种族凝聚起来——是最近才开始发生的，而发生的原因就在于科技的发展。把马变成家畜，就可以让我们去旅行，或把信息传播到数百千米外的远方。帆船技术的进步，使我们可以到达地球上最遥远的角落——虽然只能慢慢地驶过去。18世纪，从欧洲到中国的航行时间长达两年。虽然在那时，双方已经能互派大使，交易经济价值高的物品，但对18世纪的中国人来说，欧洲人的奇异程度，就和来自月球的人一样，反之亦然。要把世界真正地凝聚在一起，消除世界地方主义化，就要有比马匹或帆船更快的运输技术，同时，运输的价格也要够便宜，使每个人能可以用得起。这类科技始于海底电缆传送电报以及电话通信的发明。无线电、电视、人造卫星通信的发明，使得通信科技流传极广。
光速通信
如今我们可以——频繁地、随意地——以光速通信。从倚赖马匹或船只来传达，到以光速传播，信息传送的速度几乎增加了10亿倍。基于一个很基本的原理——已在爱因斯坦的狭义相对论中以公式表达得很清楚了——我们知道我们不可能以超过光速的速度通信。仅用了1个世纪，我们就到达了速度的极限。这项科技威力之强大、影响之深远，是我们目前无法超越的。
我们在打越洋电话时，已经可以感受到，从我们说完话到对方开始反应之间有一段空当。在这段空当时间中，我们的声音以空气为媒介传到话筒，变成电信号后通过电线传送到发送站，发送站再用大型碟形天线把无线电波变成无线电波柱传到同步卫星上去。同步卫星再以它的小型碟形天线把无线电波变成无线电波柱射到接收站，再变成电信号，经由电线传到另一方的听筒(也许这信息是从半个世界外的远方传来的)。电信号经放大后，使听筒中的一片薄膜发生振动，从而把电信号转换成声音，然后再以空气为媒介，通过极短的距离传到耳中，并由耳朵变成电化学信息传到大脑，由大脑解释这信息的意义。
无线电波从天线送到同步卫星的来回时间是1/4秒左右。传送站离接收站越远，这段时间也就越长。在与登陆月球的阿波罗宇宙飞船通信时，这段空当时间就很长。这是因为光(电波)从地球到月球的来往时间是2.6秒。从火星轨道的人造卫星发出的信息，最快要经过20分钟才能到达地球。1989年8月，我们接收到旅行者2号宇宙飞船从海王星(Neptune)传来的图片，上面显示了海王星及其卫星呈弧状半环的影像。这些图片以数字方式储存，以光速传送，要5小时才能到达地球。这是人类有史以来的最远距离通信之一。
光波、光子、无介质传播
从许多方面来看，光是一种波。例如，想象光在一间暗室中经过两条平行窄缝的景象。光通过这两条窄缝后，投射在荧幕上的影像是什么样的？答案是：条纹。更正确的答案是：一系列的条纹影像，叫作“干涉图像”(interference pattern)。光的传播和子弹不同，子弹经过窄缝后还作直线飞行，而光经过窄缝后，以波的方式从这两个窄缝散播出来，向各角度发散。光的波峰射到的地方，就是亮条纹的地方，叫作“相长干涉”(constructive interference)；波谷射到的地方，就是暗条纹的地方，叫作“相消干涉”(destructive interference)，这种干涉现象就是光的特性。同时穿过码头的木柱排的两个空隙的水波，相遇时也会产生这种干涉现象。
但光也能像子弹一样传播，我们称之为光子(photons)。常见的光电池(如摄影机或光电式计算机中的电池)就是利用这一特性。光子每次撞击对光敏感的薄面就会释放出1个电子；许多光子撞击就会放出许多电子，形成电流。光怎么能既是波又是光子(粒子)呢？也许我们不应当把光比作我们日常见到的现象，如波或粒子等，而应把它视为我们日常生活中从未见过的一种新东西，既不是波也不是粒子：在某种场合下，它体现了波的性质，而在另一种场合下，它也可以体现粒子的特性。这种波及粒子的双重特性可以促使人类学会谦卑：自然界不是经常按我们人类的习性、癖好或偏爱来行事的。我们自认为很合适的想法不见得就是大自然的做法。
在许多方面，光和声波很类似。光波也是三维的，可以上下左右传播；光也有频率、波长、速度(光速)。然而奇怪的是，光传播时不需要媒介(如声音需要空气来传播)。太阳射出的光，以及远处星球发出的光，可以穿过真空传播到地球上。在太空中，航天员如果不用无线电通信，就无法听到其他航天员的声音。可是，他可以清晰地看到其他航天员。如果他们靠得很近，近到两位航天员的头盔都碰到了一起，他们就可以听到对方说的话。[30]如果把房间中的空气都抽掉，你就听不到他们叫苦的声音，虽然你还是可以看得到他们喘气和敲打门窗的动作。
一种颜色对应一个频率
一般的可见光，就是我们平常看得到的颜色，频率非常高，每秒约有600万亿的光波射入你的眼中。因为光速是每秒行进300亿(3×1010)厘米(或每秒30万千米)，波长是波速除以频率，因此，可见光的波长约为0.000 05厘米(3×1010/6×1014 = 0.5×10-4)，即使我们有办法像看到水波一样看到光波，光波也小到我们分辨不出来。
不同频率的声音，在人耳听来呈现不同的音调。不同频率的光，在人眼看来，就是不同的色彩。红光的频率约为460万亿赫兹(每秒4.6×1012个波)，紫光的频率为710万亿赫兹(每秒7.1×1012个波)。频率在红光紫光之间的光波就是我们熟知的彩虹颜色。每一种颜色对应一个频率。
问音调对天生失聪者的意义，犹如问颜色对天生失明者的意义。同样，这个问题唯一明确的答案就是波的频率——此频率可以用光学方法准确测量出来，如果我们愿意的话，就可以用不同音调的乐音表示出来。一位失明者，如果加以训练，本身又有相应的物理知识，就可以分辨苹果的玫瑰红和血液的红色。只要有一份收集了许多光谱的档案，这位失明者对色彩的分辨本领也许要远高于一位未经训练的正常人。当然，对一位视力正常者来说，看见460万亿赫兹的红光波时，心中可能会升起一股特殊的感觉。与失明者相比，除了这种对460万亿赫兹光波的特殊感觉，其余就没有什么不同了。虽然有美的感受，但是再没有其他神奇的东西了。
和我们听不到很高或很低的音调一样，有些光波的频率或色彩超出我们的视觉范围。这些看不见的光的频率可以很高(伽马射线的频率在1018赫兹左右)，也有更低的(如在1赫兹以下——每秒波峰的数目少于1的长电磁波)。从高频率到低频率，各种光波的名称依序是：伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。这些都是可以穿过真空的波，每一种都是正正规规的和可见光一样的光。
上述的每一种光都有一种与之对应的天文研究。天空回应每一种光的形态都不同。观测可见星星时往往看不到伽马射线波段的天体。而用伽马射线观测台虽能探测到至今还是谜一样的伽马射线暴，但并不能看到可见光的天体。如果我们只看可见光部分的宇宙——在大部分的人类历史中，我们就是这样做的——我们就不可能知道天上有伽马射线源这回事。对于X光、紫外线、红外线，以及无线电波也是一样的(以及更为奇特的中微子及宇宙射线源，甚至是引力波源)。
人眼只看到可见光
我们对可见光有偏爱。我们是可见光的盲目崇拜者。这是因为我们的眼睛只能看到可见光。但是如果我们能放射并接收无线电波的话，古代祖先之间的通信距离就可能更长；如果能放射并接收X光的话，我们的祖先也许就能看到植物、人类或其他动物的内部结构。既然如此，为什么我们在进化的过程中，没能看见这些非可见光？
任何物体都会吸收某一频率的光，并让其他频率的光通过，所以每一种物质都各有其所好。光和化学间似乎有一种共鸣。有些频率，例如伽马射线，所有的物质都能不分青红皂白地吞下这类光。如果你有一个放射伽马射线的手电筒，它放出的光经过空气就会被空气吸收。从遥远太空来的伽马射线，一进入地球，就被高空的大气吸收了，不能射到地球表面。在地面上，用伽马射线去看天空，天空奇暗无比，唯一例外是在核武器附近。如果你要看到我们银河星系中心放出的伽马射线，一定要把仪器放到太空中去。同样，要看到X光、紫外线及大部分的红外线，也要到太空中去。大部分物体对可见光的吸收都不太强。例如，空气对可见光就很慷慨，吸收极少。这就是我们的眼睛看到的是可见光的原因，只有可见光可以穿过大气射到我们所在的地方。如果你真能看到伽马射线，在被吸收伽马射线的大气包围时你的眼睛毫无用武之地，只能看到一团漆黑。天择自有其道理。
另一个我们能看到可见光的原因是，太阳所放出的大部分能量就在可见光范围内。一般而言，一颗表面非常炽热的恒星放出的光大都在紫外线范围；一颗表面寒冷的恒星放出的光大都在红外线范围。从某种角度来看，太阳只是一颗普通的恒星，放出的光大都在可见光范围。而人眼对光最敏感的频率就是黄光，这也是太阳光最明亮的频率。
是不是有这样一种可能：居住在其他行星上的外星人，他们看见的光的频率和我们看见的大不相同，有不一样的频率范围呢？我认为这不太可能。宇宙中遍布的气体在可见光的频率范围内都是透明的，而在其他的频率范围内几乎都是不透明的。除了一些表面温度极低的寒冷恒星以外，大多数恒星放出的光在可见光范围也最强。看起来好像是一种巧合，恒星发出的光的频率正好在大多数气体透明的波段。这种巧合并非只发生在太阳系中，也发生在宇宙各处。这种巧合来自辐射基本原理、量子物理，以及核物理的原理。也许偶尔会有例外，可是我想说如果有其他世界的外星人的话，他们的视力频率范围和我们的不会相差太远。[31]
黑白分明的谬误
植物吸收红光及蓝光，把绿光反射出来，因此，对我们来说，植物呈现绿色。我们可以画一个图，显示物质对不同颜色的光的反射强度。吸收蓝光反射红光的物体呈红色，吸收红色反射蓝光的呈蓝色。如果一件物体对所有颜色的光的反射率都一样高，看上去它就是白色的，对灰色或黑色的物体来说，它们也对所有颜色的光有相同的反射率。白与黑的区别不在于颜色不同，而在于反射的多少。这些用词都是相对的，而非绝对的。
也许自然界中最明亮的物体是新下的雪。可是，它只反射75%的阳光。我们最常接触到的最黑的物体——例如，黑天鹅绒——只反射百分之几的光。“黑白分明”这句话，是一种概念上错误的比喻：黑与白本质上是完全一样的，它们之间的区别在于反射了多少光，而非颜色上的不同。
人类中，多数“白”人的白并不像新雪的白(甚至也不像冰箱外面涂的白色)，而大多数的“黑”人也不像黑天鹅绒一样的黑。这些名词是相对的、含糊的、混淆不清的。光照到皮肤上的反射比例(反射度，reflectivity)因人而异。皮肤的颜色与一种叫作黑色素(melanin)的有机化合物有关，这是人类身体的自然产物，来自人体的酪氨酸(tyrosine，是蛋白质中常见的氨基酸的一种)。白化症(albino)是一种遗传疾病，由于身体无法制造黑色素，因此患者的皮肤和头发都是乳白色的，眼睛瞳孔呈粉红色。在自然界，白化症动物极为稀少，因为白色的皮肤对太阳几乎没有抵抗力，白化症动物的存活率不高。
在美国，几乎所有的人都呈棕色。我们的皮肤对光谱上红光一端的反射要比蓝光一端的反射强些。因此，我们称皮肤中含有较多黑色素的人为“有色人种”，这就和把皮肤中含有较少黑色素的人叫作“漂白人种”一样毫无道理。
只有在可见光和邻近的频率中，才有肤色反射率不同的区别。在紫外线及红外线的频率范围内，北欧人和非洲人一样都呈黑色。只有在可见光的范围内，一般物体呈透明状，才有不正常的白肤色。在大部分的其他频率范围内，所有人都呈黑色。
花颜色的魔法师：花青素
阳光是由彩虹中不同颜色的光构成的。论分量，黄光要比红光或蓝光多，因此，太阳略呈黄色。各色的光都照在物体上，例如红玫瑰花瓣上。为什么玫瑰花瓣呈红色？这是因为除了红光外，其他的光都被花瓣吸收了。所有颜色的光都照到玫瑰花瓣上，这些光在玫瑰花瓣中匆忙地反射来，反射去，最后再反射出来。就如在浴缸中的水波一样，每一次反射它的波幅就减少一些。蓝光同黄光在历次反射中被吸收的分量比红光要多。经过许多次的内部反射后，反射出的红光就比其他的光要多。因此，我们才能看到一朵美丽的玫瑰花。在蓝色或紫色的花瓣中，也发生过类似的现象，不同的是红色和黄色的光在多次的反射中，被吸收的分量超出蓝色或紫色。
在玫瑰花或紫罗兰的花瓣中，吸收颜色的是一种有机物。由于这些颜色十分引人注目，因此这些花的名字都带有这些色彩的名称。这种有机物叫作花青素(anthocyanin)。
令人惊奇的是，在酸性**中花青素的颜色是红的，在碱性**中为蓝色，在中性**(水)中，则呈紫色。因此，红玫瑰是红的，因为它的花瓣含有花青素并呈现酸性；紫罗兰是紫蓝的，因为它的花瓣含有花青素并呈现碱性。(我想用这几句话凑成一首打油诗，可是没成功[32])
在自然界中蓝色素很稀有。地球上极少出现蓝色的岩石或沙粒就是个很好的证据。蓝色素一定是很复杂的化合物：花青素由20来个比氢重的元素组成，并按特定的方式排列。
生物有一套应用色彩的独到方法——吸收阳光，经过光合作用，用空气和水制造食物；提醒母鸟雏鸟的咽喉部位在哪；吸引异性；吸引传播花粉的昆虫；用来保护及伪装；人类则通过色彩，感受喜悦及美。可是，出现这些奇迹的可能原因，却来自恒星的物理性质、空气的化学性质，及极为高雅的自然进化出的结构。这种结构让我们和环境和谐共存。
当我们研究其他的行星时，当我们研究它们的大气或表面的化学成分时——当我们费尽心机想去了解，为什么土星的卫星泰坦(Titan)的大气中的昙气是棕色的，或为什么到处都有皱皮式的地形，及海王星卫星的颜色是粉红色之际——我们依赖的是那些和浴缸中的水波差不多的光波的特性。因为我们看到的所有色彩——在地球上，或其他行星上——都和太阳光包含的各波长的光的反射有关。认为太阳光在爱抚我们或把太阳光看成神的注视，比起这种诗情画意的描述，应当有一个更深刻的认知。如果你把光看成和浴缸水龙头滴下的水波类似的现象，你就会对它有更深一层的了解。