光子是奇怪的小东西。
它们可以像波一样运动。它们可以像粒子一样运动。它们是微小的力的信使。它们是能量的载体。
但最重要的是，它们是光。当您想到光时，您想到的是光子。因此，字面上来说，当您环顾四周并看到，嗯，任何东西时，您的眼睛都在探测由计算机屏幕或灯等物体发出的光子，这些光子由这些光源发出，并从其他物体反射回来，或者没有光子——这是由于某些东西在光子穿过太空时吸收或阻挡了它们。正因为如此，我们对深空物体的几乎所有了解都来自于光。
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光子的另一个特点是怪异——非常，非常怪异。
在许多方面，它们的行为都像波，类似于海滩上或您在浴缸里泼水时的波浪，有波峰和波谷。波峰之间的距离称为波长，波的振幅——实际上是它的强度——是波谷和波峰之间的高度差。在声波中，这与声音的音量有关。而在光中，它与光的强度有关。
在其他方面，光子的行为又像亚原子粒子，它们可以具有动量、自旋等等。很难理解光可以是波和粒子的概念，甚至同时是，但量子力学在这方面异常古怪（这也是科学家们花了很长时间才接受它作为现实的良好模型的一个重要原因）。然而，这些特性定义了光，反过来，它们也告诉我们很多关于发射或反射它的物体的信息。
对于光来说，最基本的属性是波长。它描述了光有多少能量，波长较短的波比波长较长的波具有更多的能量。更通俗地说，我们将波长（或能量）的这种差异视为颜色。例如，当您看到某种东西是紫色的时，您看到的是来自该物体的波长较短的光。蓝色具有稍长的波长，绿色更长，然后是黄色、橙色，最后是红色，这是我们看到的最长的波长。我们可以测量这些可见光颜色的波长，以确定我们眼睛可以探测到的范围，大致从紫色的 380 纳米（nm）到红色的约 750 纳米。（一纳米是十亿分之一米。）
顺便说一句：光的频率是另一个基本属性，它衡量波峰通过观察者的频率。它等于波长的倒数；换句话说，波长越长，频率越低，反之亦然。科学家们两者都使用，通常根据哪一个使数学更简单或更直观，在他们的计算中选择其中一个。
我们的眼睛进化出了称为视锥细胞的细胞，这些细胞对不同波长的光敏感。有三种类型：一种探测以红色为中心的小范围波长，另一种探测以绿色和蓝色为中心的范围。当光线照射到这些细胞时，它们会向大脑发送信号，大脑将它们组合起来以产生我们看到的颜色。
光的波长也可以远远超出我们眼睛所能看到的范围。科学家威廉·赫歇尔在 19 世纪发现了这一点，当时他发现即使阳光通过深色滤镜，他仍然可以感觉到阳光的热量。他发现了红外线，其波长大于 750 纳米。除此之外，在逐渐变长的波长处，还有微波、毫米波和无线电波。在光谱的另一端是紫外线，其波长比我们看到的紫色更短。逐渐更短的是 X 射线，然后是伽马射线，后者的波长短于约 10 皮米（或百分之一纳米）。
由于能量与波长成反比（或与频率成正比，如果您愿意），伽马射线具有很大的能量，而无线电波的能量非常小。作为一个类别，伽马射线包括任何波长小于 X 射线的光（或能量高于 X 射线的光）。无线电波也有一个开放式的范围，但在光谱的长波长端；以光年为单位测量的波长仍然被认为是无线电波。
这就引出了宇宙。除了陨石会落到地面并可以进行检查外，直到最近，我们从大气层外宇宙获得的所有信息都来自光。恒星、星系、尘埃云、系外行星：所有这些都发射、反射或吸收光，产生信号，这些信号穿越太空难以置信的距离，最终被地球探测到。
而这些信号——这些光——讲述了宇宙的故事。
例如，热物体会发出自身的光。它们会发出各种颜色，但在给定的温度下，有一个峰值波长，它在该波长处发出最强的光。随着温度升高，峰值波长会变短。像太阳这样的恒星在可见光谱中发出最强的光。这不是巧合；周围有如此多的阳光，它是获取有关您环境信息的非常方便的工具，这就是为什么地球上如此多的生物进化出眼睛来探测它的原因。较冷的恒星的峰值更多地在红色中，较热的恒星的峰值更多地在蓝色中，这就是恒星有颜色的原因。
仅通过测量恒星的颜色，您就可以知道它的温度。这是一件了不起的事情——测量一个可能远在数万亿公里之外的物体的温度！
温度也告诉我们光背后的物理学原理。产生 X 射线需要很多能量，产生伽马射线甚至需要更多能量，因此如果我们看到它们来自某个物体，我们就知道它蕴含着巨大的能量（并且通常具有极强的磁场，可以为亚原子粒子超级充电，并为它们提供发射这些类型光所需的能量）。中子星、黑洞、星系际气体云碰撞，甚至太阳上缠结的磁场，都可以爆发 X 射线和伽马射线，表明这些物体的真正力量。
对于可见光（以及紫外线和红外线），天文学家使用滤光片来确定颜色，以测量恒星温度等等。这些滤光片可以是例如经过处理的玻璃板，允许窄范围波长的光通过它们，以便它们可以隔离蓝色、绿色或红色等颜色。
但我们可以做得更好。让光线穿过棱镜或光栅——一块玻璃或金属，上面有一系列非常精细的平行凹槽——会将光线分解成许多不同的颜色。由此产生的光谱（称为光谱）可以探测到数千个不同的波长。这种能力是理解宇宙的关键。这一次，我一点也没有夸张。
不同的原子元素在非常特定的颜色下吸收和发射光（围绕原子核飞行的电子只能吸收离散的能量，这一事实首先引发了量子力学的发展）。例如，氢强烈吸收 656 纳米（红色）的光。一些恒星光谱显示，在它们发出的光中，该波长处有一条深黑色带或线。这就是天文学家最初确定恒星主要由氢组成的方式。但是，我们经常看到许多不同元素在不同波长处的吸收线，这使我们能够更彻底地确定恒星是由什么组成的；这项技术还可以告诉我们气体云甚至绕其他恒星运行的系外行星的大气层中有什么元素。
还有更多。如果一个物体正在向您移动，它发出的光的波长会被压缩，类似于驶近的救护车警报器的声波会被压缩并音调升高。对于光，我们称之为蓝移。如果一个物体正在远离，它的光的波长会被拉伸，称为红移。恒星和星系旋转，以一种方式移动它们的光，使天文学家能够确定它们旋转的速度有多快。此外，在 20 世纪早期，天文学家发现更遥远的星系具有更大的红移，这意味着宇宙正在膨胀。通过精确测量这些红移，他们还可以计算出宇宙膨胀的速度有多快——以及它已经膨胀了多长时间，从而得出了宇宙 138 亿年的年龄。
我提到光是我们直到最近才从太空获得信息的唯一方式。现在我们还可以探测到其他类型的宇宙信使：亚原子粒子，如中微子和宇宙射线，以及其他现象，如引力波，字面上是时空结构中的涟漪。我们可以将这些信息与我们探测到的光结合起来，这意味着我们现在正处于“多信使”天文学的时代，这是一个强大的工具，可以帮助我们了解头顶上方正在发生的事情。
因此，当您在晴朗的夜晚外出时，请记住这一切。您从上方闪烁的星星看到的光以惊人的速度穿行了数千亿公里，持续了数年或数十年，穿过太空和地球大气层，然后最终被您眼睛中的细胞阻止和吸收。光是宇宙真正触及您的一种方式。我们至少可以做的是利用光尽可能多地了解它。