人是如何透过玻璃看到东西的？

（物理，剑桥）

如果你熟读《圣经》，那么在回答这个问题的时候可能会略带“黑暗”像，并以保罗给哥林多教会的书信中那段著名的文字做结，表示我们对神的认识是模糊不清的。实际上，即使从科学的角度来回答这个问题，答案也比神学解释好不到哪里去，也是同样含混难懂。

人能够透过玻璃看到另外一侧，这个日常现象看似简单，实际却并非如此。从某种意义来说，解释起来确实可以很简单：因为玻璃是透明的，所以光线可以直接穿透它；而其他固体物质是不透明的，所以会挡住光线使其无法通过。但如果你深入思考这个问题，就会发现事情并没有这么简单。人透过玻璃看东西，看到的实际上是光的图案未经任何改变地从玻璃的另一侧传送到这一侧，就好像隔在中间的玻璃不存在一样。但玻璃明明是固体物质，那么为什么光线能够穿透玻璃却无法穿透其他固体物质呢？

回答这个问题需要用到高等量子物理学理论，更准确地说是量子物理学的一个分支——量子电动力学（QED）。创建于半个世纪以前的量子电动力学描述光和物质之间的互动，美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）是该学科创始人之一。

量子电动力学将光视为极其微小的无质量粒子流，这种微小粒子叫光子，第一个发现光子的人是爱因斯坦。当光照向玻璃窗或其他固体表面的时候，有无数细小光子进入原子场，就像一大群狼狈逃窜的叛军奔向森林一样。

每个原子的中心都有一个核。原子核非常小，用新西兰著名物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）的话来说，在原子里的原子核就像是皇家阿尔伯特音乐厅里的蠓虫那么小。因此，疾速飞驰的光子遇到原子核的几率可谓微乎其微！

但是，围绕在原子核周围有一片旋转的雾是由无数带电粒子组成的，这些带电粒子叫电子。如果你将电子和光子想象成台球桌上的小球，那么这些极其微小的粒子彼此相遇的可能性甚至比它们遇上原子核的几率还要小，其概率大约相当于伦敦仅存的两只蠓虫偶然相遇。一旦电子和光子相遇，那么砖墙也能变得像玻璃一样透明。实际上，光子和电子一样都有电磁能，只要稍微靠近原子就会出现电场互动。

当光照在物体上，光子很少能够直接穿透物体，而是会被电子拉过去。用刚才那个士兵和森林的类比来解释，就像逃兵被树下低矮的灌木丛和植物绊住脚一样，电子也会吸取光子的能量。如果光照在不透明的物体上，大部分能量就会转化成热量，所以砖墙会在阳光照射下变热。但是如果光照在玻璃窗上，很多电子只是暂时被赋予能量或“被激活”，额外的能量散失之后会形成新的光子，且得到的能量和失去的能量一般情况下大小相等。

因此，当光线穿透玻璃窗的时候，光子并非直接穿过玻璃，而是先被玻璃中的原子吸收，然后经过几次重新发射，最终出现在玻璃的另一侧。此外，它们只是有很大的可能会出现，但并非一定会出现。

但是，为什么电子会在大部分固体物质中吸收光子，却在玻璃中传输光子呢？这可以用能量等级来解释。电子围绕原子核旋转的时候属于某个特定的能量等级，一旦吸收了光子以后即可升到较高等级。在不透明的固体物质中，光子或许有足够的能量可以将电子推升至更高等级；但玻璃属于非晶体固体这一特殊的固体类别，其能量级别差似乎比普通固体物质大，所以进入更高一个级别所需的能量也就相应更高一些，有可能已经超出了可见光中电子所携带的能量范围，因此很多都无法被吸收。所以可见光的传递速度会被玻璃延迟，只有一小部分会被反射、吸收或发散出去。相比之下，紫外线的光子含有足够的能量，所以紫外线可以被玻璃吸收。

总的来说，光子的重新发射速度极快，虽然光穿透玻璃的速度仅为真空环境中光速的一半，但肉眼观察结果仍属即时传输。科幻小说作家曾经别出心裁地想出过一种“慢速玻璃”。由于光穿过这种玻璃的速度非常缓慢，你可以将其打包带到世界各地，镶在新家的窗户上，这样即使几个月以后还能看到和原来一模一样的景色。2013年，法国和中国的科研人员把染料分子嵌入液晶矩阵，从而将光的群速降至其最高速度的十亿分之一以下。（将钠原子的温度降到绝对零度的百万分之一以内，在玻色-爱因斯坦凝聚状态下，光即可达到完全静止。）有趣的是，英国南安普顿大学的科学家们于2013年用激光重新安排玻璃晶体的原子，制造出惊人的“晶体记忆”，可在一片比CD大不了多少的玻璃上储存360TB数据，而且储存稳定性极佳，数据可以保存几个世纪之久。

不过，玻璃最突出的特点并非透明性，而是部分反射这一特性。但是用量子学理论对其进行解释已经远远超出了我的知识范围，所以我也不打算去尝试。

我选择用公认含糊不清的量子理论来解释玻璃的透明性，以期回答“如何透过玻璃看到东西”这一问题。当然，答案肯定不止一个，你还可以探索其他途径，将重点放在“人如何看到东西”这部分内容上，用科学理论解释人类视觉的工作原理，这不仅涉及人眼对外界图像的物理接收过程，还需要解释这些图像在人脑的整个形成过程。嗯，这看上去可真是够简单的呢……