光子是奇怪的小東西。
它們可以像波一樣運動。它們可以像粒子一樣運動。它們是微小的力的信使。它們是能量的載體。
但最重要的是，它們是光。當您想到光時，您想到的是光子。因此，字面上來說，當您環顧四周並看到，嗯，任何東西時，您的眼睛都在探測由計算機螢幕或燈等物體發出的光子，這些光子由這些光源發出，並從其他物體反射回來，或者沒有光子——這是由於某些東西在光子穿過太空時吸收或阻擋了它們。正因為如此，我們對深空物體的幾乎所有了解都來自於光。
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光子的另一個特點是怪異——非常，非常怪異。
在許多方面，它們的行為都像波，類似於海灘上或您在浴缸裡潑水時的波浪，有波峰和波谷。波峰之間的距離稱為波長，波的振幅——實際上是它的強度——是波谷和波峰之間的高度差。在聲波中，這與聲音的音量有關。而在光中，它與光的強度有關。
在其他方面，光子的行為又像亞原子粒子，它們可以具有動量、自旋等等。很難理解光可以是波和粒子的概念，甚至同時是，但量子力學在這方面異常古怪（這也是科學家們花了很長時間才接受它作為現實的良好模型的一個重要原因）。然而，這些特性定義了光，反過來，它們也告訴我們很多關於發射或反射它的物體的資訊。
對於光來說，最基本的屬性是波長。它描述了光有多少能量，波長較短的波比波長較長的波具有更多的能量。更通俗地說，我們將波長（或能量）的這種差異視為顏色。例如，當您看到某種東西是紫色的時，您看到的是來自該物體的波長較短的光。藍色具有稍長的波長，綠色更長，然後是黃色、橙色，最後是紅色，這是我們看到的最長的波長。我們可以測量這些可見光顏色的波長，以確定我們眼睛可以探測到的範圍，大致從紫色的 380 奈米（nm）到紅色的約 750 奈米。（一奈米是十億分之一米。）
順便說一句：光的頻率是另一個基本屬性，它衡量波峰透過觀察者的頻率。它等於波長的倒數；換句話說，波長越長，頻率越低，反之亦然。科學家們兩者都使用，通常根據哪一個使數學更簡單或更直觀，在他們的計算中選擇其中一個。
我們的眼睛進化出了稱為視錐細胞的細胞，這些細胞對不同波長的光敏感。有三種類型：一種探測以紅色為中心的小範圍波長，另一種探測以綠色和藍色為中心的範圍。當光線照射到這些細胞時，它們會向大腦傳送訊號，大腦將它們組合起來以產生我們看到的顏色。
光的波長也可以遠遠超出我們眼睛所能看到的範圍。科學家威廉·赫歇爾在 19 世紀發現了這一點，當時他發現即使陽光透過深色濾鏡，他仍然可以感覺到陽光的熱量。他發現了紅外線，其波長大於 750 奈米。除此之外，在逐漸變長的波長處，還有微波、毫米波和無線電波。在光譜的另一端是紫外線，其波長比我們看到的紫色更短。逐漸更短的是 X 射線，然後是伽馬射線，後者的波長短於約 10 皮米（或百分之一奈米）。
由於能量與波長成反比（或與頻率成正比，如果您願意），伽馬射線具有很大的能量，而無線電波的能量非常小。作為一個類別，伽馬射線包括任何波長小於 X 射線的光（或能量高於 X 射線的光）。無線電波也有一個開放式的範圍，但在光譜的長波長端；以光年為單位測量的波長仍然被認為是無線電波。
這就引出了宇宙。除了隕石會落到地面並可以進行檢查外，直到最近，我們從大氣層外宇宙獲得的所有資訊都來自光。恆星、星系、塵埃雲、系外行星：所有這些都發射、反射或吸收光，產生訊號，這些訊號穿越太空難以置信的距離，最終被地球探測到。
而這些訊號——這些光——講述了宇宙的故事。
例如，熱物體會發出自身的光。它們會發出各種顏色，但在給定的溫度下，有一個峰值波長，它在該波長處發出最強的光。隨著溫度升高，峰值波長會變短。像太陽這樣的恆星在可見光譜中發出最強的光。這不是巧合；周圍有如此多的陽光，它是獲取有關您環境資訊的非常方便的工具，這就是為什麼地球上如此多的生物進化出眼睛來探測它的原因。較冷的恆星的峰值更多地在紅色中，較熱的恆星的峰值更多地在藍色中，這就是恆星有顏色的原因。
僅透過測量恆星的顏色，您就可以知道它的溫度。這是一件了不起的事情——測量一個可能遠在數萬億公里之外的物體的溫度！
溫度也告訴我們光背後的物理學原理。產生 X 射線需要很多能量，產生伽馬射線甚至需要更多能量，因此如果我們看到它們來自某個物體，我們就知道它蘊含著巨大的能量（並且通常具有極強的磁場，可以為亞原子粒子超級充電，併為它們提供發射這些型別光所需的能量）。中子星、黑洞、星系際氣體雲碰撞，甚至太陽上纏結的磁場，都可以爆發 X 射線和伽馬射線，表明這些物體的真正力量。
對於可見光（以及紫外線和紅外線），天文學家使用濾光片來確定顏色，以測量恆星溫度等等。這些濾光片可以是例如經過處理的玻璃板，允許窄範圍波長的光透過它們，以便它們可以隔離藍色、綠色或紅色等顏色。
但我們可以做得更好。讓光線穿過稜鏡或光柵——一塊玻璃或金屬，上面有一系列非常精細的平行凹槽——會將光線分解成許多不同的顏色。由此產生的光譜（稱為光譜）可以探測到數千個不同的波長。這種能力是理解宇宙的關鍵。這一次，我一點也沒有誇張。
不同的原子元素在非常特定的顏色下吸收和發射光（圍繞原子核飛行的電子只能吸收離散的能量，這一事實首先引發了量子力學的發展）。例如，氫強烈吸收 656 奈米（紅色）的光。一些恆星光譜顯示，在它們發出的光中，該波長處有一條深黑色帶或線。這就是天文學家最初確定恆星主要由氫組成的方式。但是，我們經常看到許多不同元素在不同波長處的吸收線，這使我們能夠更徹底地確定恆星是由什麼組成的；這項技術還可以告訴我們氣體雲甚至繞其他恆星執行的系外行星的大氣層中有什麼元素。
還有更多。如果一個物體正在向您移動，它發出的光的波長會被壓縮，類似於駛近的救護車警報器的聲波會被壓縮並音調升高。對於光，我們稱之為藍移。如果一個物體正在遠離，它的光的波長會被拉伸，稱為紅移。恆星和星系旋轉，以一種方式移動它們的光，使天文學家能夠確定它們旋轉的速度有多快。此外，在 20 世紀早期，天文學家發現更遙遠的星系具有更大的紅移，這意味著宇宙正在膨脹。透過精確測量這些紅移，他們還可以計算出宇宙膨脹的速度有多快——以及它已經膨脹了多長時間，從而得出了宇宙 138 億年的年齡。
我提到光是我們直到最近才從太空獲得資訊的唯一方式。現在我們還可以探測到其他型別的宇宙信使：亞原子粒子，如中微子和宇宙射線，以及其他現象，如引力波，字面上是時空結構中的漣漪。我們可以將這些資訊與我們探測到的光結合起來，這意味著我們現在正處於“多信使”天文學的時代，這是一個強大的工具，可以幫助我們瞭解頭頂上方正在發生的事情。
因此，當您在晴朗的夜晚外出時，請記住這一切。您從上方閃爍的星星看到的光以驚人的速度穿行了數千億公里，持續了數年或數十年，穿過太空和地球大氣層，然後最終被您眼睛中的細胞阻止和吸收。光是宇宙真正觸及您的一種方式。我們至少可以做的是利用光儘可能多地瞭解它。