一杯清水—邪惡孿生兄弟

缺口的馬克杯里熱氣騰騰的埃塞俄比亞咖啡。

沾滿指紋的智能手機(jī)屏幕，柔軟褪色的樂隊(duì)T恤壓在抽屜底下，那扇帶黃銅把手的公寓實(shí)心橡木門，你那面拋光花崗巖臺(tái)面上，點(diǎn)綴著星空般的斑駁圖案。

所有這些形形色色的物體都有一個(gè)共同點(diǎn)：當(dāng)你用手電筒照射它們時(shí)，大部分光線都無法到達(dá)另一端。換句話說，它們并不透明。

眾所周知，還有其他物體是透明的，其中最常見的就是水。把自來水倒進(jìn)玻璃杯里，你就能直接看到里面的東西，可以隔著玻璃杯讀完下面的文字。

水，這種對(duì)我們生存至關(guān)重要的物質(zhì)，為何如此透明，而其他許多日常物品卻并非如此？

為什么只有清晨從淋浴噴頭流出的清水才如此透明，而朋友從馬爾代夫寄給你的明信片上那片讓你艷羨的藍(lán)色海洋卻并非如此？

當(dāng)我談到手電筒時(shí)，我指的是我們?nèi)粘Ｕ丈湮矬w的一種光——就像你在臺(tái)燈或頭燈中看到的光一樣。

這種光也被稱為可見光，因?yàn)槲覀兡軌蛴醚劬Ω兄?。這當(dāng)然意味著存在不可見光；但它究竟是什么呢？

為了理解這一區(qū)別，我們先假設(shè)光是一種電磁波——換句話說，它是一種快速變化的電場(chǎng)，在空間中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，

磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這種波可以用波長來描述，波長決定了波型重復(fù)的距離。想象一下海水中的波浪，波長僅僅是從一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的距離。

我們所說的可見光是波長在 380 到 700 納米之間的電磁波，相當(dāng)于人類頭發(fā)絲寬度的百分之一。

然而，還有許多波長比我們短得多或長得多的電磁波，其中許多我們每天都會(huì)遇到：

電磁波譜的不同部分及其波長大小的比較。波長范圍從千米（無線電波）到原子核大?。ㄙゑR射線）

這個(gè)光波家族——也稱為電磁波譜——涵蓋了從無線電波（當(dāng)你的手機(jī)在車?yán)餂]電時(shí)，它會(huì)用音樂拯救你）、桑拿時(shí)為你保暖的紅外線、加熱食物的微波爐、紫外線（你在海灘上曬傷的隱形元兇）到診斷骨折的X光等各種波段。

在這個(gè)廣闊的波譜中間，我們發(fā)現(xiàn)了我們的老朋友——可見光——它只占所有可能的電磁波長的一小部分。

你目睹過的一切，都是通過光譜中這極小的一部分來見證的：你第一次呼吸的明亮手術(shù)室，秋葉在風(fēng)中飄舞的金色色調(diào)，以及在收到那張可怕的超速罰單之前，后視鏡里模糊的紅藍(lán)燈光。

每一個(gè)視覺記憶，每一個(gè)敬畏的時(shí)刻，每一個(gè)心碎或喜悅的場(chǎng)景——都通過我們眼睛能夠感知的這窄帶電磁波傳遞到你的意識(shí)中。

為什么水是一種如此神奇的物質(zhì)——它似乎不會(huì)與我們發(fā)出的任何光發(fā)生相互作用，而是讓光原封不動(dòng)地穿過。

也許水，出于某種我們尚需弄清楚的原因，根本就不想與電磁波發(fā)生相互作用。

就像那位在擠滿陌生人的聚會(huì)上，性格內(nèi)向的朋友，默默地占據(jù)著自己的角落，而周圍的談話卻不受干擾地進(jìn)行著。

讓我們檢查一下事實(shí)是否確實(shí)如此。

測(cè)量魔法

如果我們想知道水與不同波長的光的相互作用程度，我們可以將光照射到水體中，然后測(cè)量有多少光從水體的另一側(cè)射出。

我們先從一些可見光開始，比如綠光，讓它穿過一塊1米厚的水（如果你喜歡用身體部位來測(cè)量，那大約是3英尺）。

我們注意到，幾乎所有東西都從另一側(cè)流出來了；幾乎沒有東西卡在水里。畢竟，透明就是這個(gè)意思。

現(xiàn)在我們用不同顏色的光重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果基本相同。

然后我們嘗試電磁波譜的其他部分：用X光機(jī)對(duì)準(zhǔn)它，用天線發(fā)射無線電波，用紫外線和紅外線照射它。

每次，我們記錄有多少物質(zhì)穿過了水，有多少比例流失了。

當(dāng)我們查看每個(gè)測(cè)試波長的光損失量數(shù)據(jù)時(shí)，我們注意到了一些非常了不起的事情：

在我們測(cè)試的所有不同波長中，幾乎所有波長都被強(qiáng)烈吸收。

例如，部分紫外線僅經(jīng)過5毫米深的水就能被阻擋99%！

不過，有些波長更接近可見光的紫外線穿透性更強(qiáng)，所以即使你打算經(jīng)常游泳，也要涂抹防曬霜。

令人驚訝的是，通常非常擅長穿透各種物體的X射線，也顯示出相當(dāng)可觀的吸收量。

這意味著水對(duì)可見光的透過率比對(duì)X射線的透過率更高，這對(duì)于一種物質(zhì)來說是一種罕見的特性。你的X射線護(hù)目鏡在這里不會(huì)派上用場(chǎng)。

水似乎更像是一只社交蝴蝶，熱情地與派對(duì)上的幾乎所有人互動(dòng)——用紅外線聊天，用微波爐跳舞，用X射線自拍——而完全忽略了可見光，仿佛它根本不存在。

可見光波尷尬地站在房間中央，手里拿著飲料，疑惑著自己究竟做了什么，竟然會(huì)受到如此對(duì)待，它們從水邊經(jīng)過時(shí)幾乎無人注意。

只有電磁波譜中這一極小的一部分能夠毫發(fā)無損地穿過水，而這一部分恰好是對(duì)我們的生活、動(dòng)物的生活和植物的存在起著如此重要作用的光，這難道不奇怪嗎？

如果由于某種原因，海水無法讓這部分光譜穿過，那么藻類如何在海洋中生存？生命最初可能是在海洋中進(jìn)化而來的嗎？

然而，事實(shí)并非如此——藻類在海洋中茁壯成長，而我們卻親眼目睹這一切（例如，通過沖浪板，我們非自愿地成為了藻類養(yǎng)殖者）。

這一切究竟是巧合還是某種宇宙魔法？

因果與結(jié)果 vs. 結(jié)果與原因

我必須承認(rèn)，我們之前完全搞反了。我們先來快速看看是什么決定了材料的透明度。

當(dāng)電磁波穿過某種材料時(shí)，它會(huì)經(jīng)過許多不同的原子。這些原子可以通過電子組成的鍵相互連接，我們可以把它們想象成橡皮筋。

當(dāng)電磁波穿過并具有合適的波長時(shí)，它會(huì)引起橡皮筋振動(dòng)。這也意味著電磁波會(huì)將部分能量傳遞給橡皮筋——因此，部分電磁波會(huì)在材料中損失。

還有其他機(jī)制可以吸收光波，例如將電子移到更高的能級(jí)。當(dāng)我們說某物是透明的時(shí)，這意味著這些機(jī)制都無法吸收 該波長的光。

可見光穿過水時(shí)，由于波長不夠，無法使水發(fā)生振動(dòng)、釋放電子，也無法將電子從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí)。所以它別無選擇，只能穿過水。它當(dāng)然很樂意在水里留下一些能量，但根本做不到！

現(xiàn)在想象一下，你是海洋中進(jìn)化的早期生命形式。

你還沒有任何形式的光傳感器（或眼睛），所以你只能在黑暗中蹣跚而行，希望偶然遇到食物和配偶。

在進(jìn)化過程中可以為您提供的所有不同類型的光傳感器中，哪一種對(duì)您的生存最有用？

例如，一條對(duì)紫外線敏感的魚在黑暗中基本上還是會(huì)蹣跚而行，而且可能完全沒有視力。

 這是因?yàn)?，正如我們之前所見，大部分紫外線在水中只能傳播幾毫米，所以任何更遠(yuǎn)的物體都會(huì)被隱藏在黑暗中。 

因此，“一直游到撞到石頭”可能是它獲取周圍環(huán)境地圖的策略。

X射線視覺似乎也沒什么用：X射線在水中無法到達(dá)太遠(yuǎn)，而且，照亮海洋的X射線又從哪里來呢？地球上天然的X射線輻射源屈指可數(shù)。

因此，顯而易見的選擇是可見光——我們之所以稱之為可見光，正是因?yàn)?/span>它能夠穿透水。

如果你的生物體有任何光受體，最好選擇那些能夠接收來自幾毫米以外信號(hào)的受體。

這似乎并沒有什么神秘之處：水的化學(xué)性質(zhì)決定了它對(duì)電磁波譜的哪一部分是透明的；生命就這樣自然而然地誕生了，并且主要利用了這部分光譜。

可見光之所以成為生物體的重要資源，僅僅是因?yàn)樗亲钣杏玫牟ㄩL。

至此，我們的案子就結(jié)案了——謎團(tuán)已經(jīng)解開了。

或者是嗎？

太陽報(bào)參與了這場(chǎng)陰謀

整個(gè)事件中還有另一件事很可疑。當(dāng)我們忙于弄清楚水為什么透明，并將其與水的化學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來時(shí)，我們完全忘記了最初為我們提供自然光的光源：太陽。

如果由于某種原因，太陽沒有產(chǎn)生可見光，那么水對(duì)太陽來說是否透明對(duì)地球上的生命來說就無關(guān)緊要了。

但顯然，水對(duì)太陽來說是透明的——讓我們來看看太陽光輸出的形狀：

這張圖顯示了太陽在各個(gè)波長下發(fā)射的光量。

注意輸出峰值的位置：它正好位于可見光范圍內(nèi)，幾乎完美。這有多奇怪？

可以這樣想：水的化學(xué)性質(zhì)決定了它對(duì)電磁波譜的哪一部分是透明的。但這些化學(xué)性質(zhì)與太陽產(chǎn)生光的機(jī)制無關(guān)。

太陽是一個(gè)核聚變反應(yīng)堆：它結(jié)合原子核并產(chǎn)生光；在這個(gè)過程中，它會(huì)變得非常熱[需要引用]。

物理學(xué)中有一條定律**：任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)光，而光的波長取決于物體的溫度。

例如，體溫相同的物體（比如你）大多會(huì)發(fā)出不可見的紅外光，而表面溫度為 5,500°C 或 10,000°F 的太陽，大多會(huì)發(fā)出波長在 300 至 700 納米之間的光。

300 到 700 納米之間？

這聽起來很熟悉：正如你現(xiàn)在所知，這幾乎就是我們稱之為可見光的電磁波譜范圍。而水可以透過的光譜范圍也與此相同。

但正如我所說：我們稱之為太陽的核聚變反應(yīng)堆與水的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。沒有理由認(rèn)為，照射到地球上的大部分光恰好也是能夠很好地穿過水的光。

那么，宇宙巧合真的存在嗎？

嗯，也許吧。

旋轉(zhuǎn)恒星溫度旋鈕

讓我們?cè)O(shè)想一些其他的情景。如果我們最終擁有一顆與太陽截然不同的恒星會(huì)怎樣？

太陽可能是一顆體型更小、溫度更低的恒星（紅矮星），也可能是一顆體型更大、溫度更高的恒星（藍(lán)巨星）。

紅矮星的最大光輸出在紅外范圍內(nèi)，能量低于可見光，而藍(lán)巨星在紫外線范圍內(nèi)產(chǎn)生最多的光 （此時(shí)，您的 SPF 30 防曬霜就沒用了，所以最好涂一些 SPF 500 的防曬霜）。

在這兩種情況下，到達(dá)地球的大部分光線都會(huì)超出可見光范圍。藍(lán)巨星的紫外線無法穿透海洋，因此無法成為海洋的可行能源；紅矮星的紅外光也是如此。

我們當(dāng)然不知道在這樣的替代情景下生命會(huì)是什么樣子。

植物——如果它們進(jìn)化出來的話——很可能不會(huì)專注于吸收可見紅光，而太陽發(fā)射出大量的紅光。

相反，它們會(huì)尋找其他波長的光作為更合適的能量來源，甚至可能存在葉綠素以外的分子來吸收光——這意味著植物的顏色可能并非綠色。

但話說回來，“綠色”的概念只有對(duì)我們這些適應(yīng)特定電磁波譜的生物才有意義?；蛟S我們進(jìn)化出了眼睛，認(rèn)為綠色不是波長為550納米的光，而是波長為750納米的光。

人擇原理

水并非宇宙和地球完美地協(xié)調(diào)一致以支持我們以及我們熟悉的生命形式的唯一例子。還有很多其他“宇宙參數(shù)”可以想象：

比如增加或減少空間維度（例如，在二維世界中旅行，可以考慮平面國），將常數(shù)π設(shè)為4而不是3.1415…… （省去了計(jì)算更多位數(shù)的麻煩），或者降低引力強(qiáng)度（當(dāng)然會(huì)讓你的機(jī)票更便宜）。

但出于某種原因，這種結(jié)合使得我們?nèi)祟惸軌虼嬖诓Ⅲw驗(yàn)它——并且想知道為什么它會(huì)是這樣的。

解決這個(gè)謎團(tuán)的方法之一是人擇原理：它指出，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)自己處于允許我們以現(xiàn)在的方式存在的條件下時(shí)，我們不應(yīng)該感到驚訝——因?yàn)楦鶕?jù)定義，在不允許我們存在的條件下，我們不可能生存。

想象一下假設(shè)的眾多可能的宇宙：也許其中一些是二維的；在另一些宇宙中，水阻擋了所有的光，在很多宇宙中，原子甚至不存在。

那么，顯然，我們不會(huì)發(fā)現(xiàn)自己身處其中一個(gè)宇宙，然后感嘆“有意思，這個(gè)宇宙看起來像個(gè)充滿敵意的地方，永遠(yuǎn)不可能支持人類！”。

不，我們會(huì)在說出第一個(gè)字之前，就消失在一陣邏輯的漩渦中。

所以，讓我們感恩，因?yàn)橛幸粋€(gè)地方可以稱之為家，一個(gè)擁有一系列特定物理特性、讓我們得以生存的地方。即使這意味著我們偶爾會(huì)被曬傷，并疑惑水究竟為什么是透明的。

感謝您與我一起踏上這段旅程。

如果你想知道為什么作者一直堅(jiān)持水是透明的，而海洋顯然不是：

事實(shí)證明，如果你選擇合適的紅光波長，你就能使H2O中“O”和“H”之間的聯(lián)系發(fā)生振動(dòng)。

因此，水會(huì)稍微吸收紅光，使其呈現(xiàn)藍(lán)色，因?yàn)榈竭_(dá)眼睛的藍(lán)光比紅光多。但這種效果非常輕微，需要大量的水才能發(fā)揮作用。

*據(jù)我所知，這片光譜虛線區(qū)域似乎存在一個(gè)微小的神奇點(diǎn)，低能X射線可以更好地穿過——這里有一篇很短的維基百科文章。

雖然我沒有精確的衰減值，但我有根據(jù)地猜測(cè)，水對(duì)可見光的透明度比對(duì)這些低能X射線的透明度更高——如果你知道更多信息，請(qǐng)隨時(shí)糾正我！

**這被稱為普朗克定律，也是我計(jì)算不同恒星類型光譜的方法。