假设有一天，外星人造访地球，在欢乐友好的气氛中，和地球科学家们一起分享物理的学习心得。

其他还好，但绝对不能聊到光强度——坎德拉，这个光的基本单位定义，肯定会让外星人抓狂！并陷入深深的迷惑不解之中。

光的示意图

什么情况啊这是？因为坎德拉只对人类这种生物感知的“可见光”有效。举个例子，再强的紫外线，由于人看不到，它的发光强度也只能是零。

外星生命体朋友们将很头疼——如果它们也用“脑”思考的话，人类怎么会搞出一个如此“任性”的物理量呢？这不是明目张胆的歧视非人类生命体的行为吗！

说好的宇宙大和谐，和平共建星辰大海，实现新宇宙之梦，现在两眼一抹黑，还怎么一起愉快的玩耍？

国际主单位制和七个基本物理量

先把外星友人给整懵圈了的这码事放一放，在开始我们“光之旅”之前，我们先来回忆几个知识点。学习过上两篇质量和时间的，猫先生过往的读者朋友们，可以直接跳过这段文字，从第二段开始阅读。

日常生活中，同学们会接触到各种“物理量”，无论大家是否了解它们背后的含义，每个人都会和这些概念打交道。例如：长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率等等。

科学的发展从来不是一个地区或者一个国家能够独立支撑的，大家得能听懂和读懂别人的研究成果，科学才有爆发性增长的可能。简单的说，就是要建立一套国际通用的标准体系，方便大家沟通交流。由此诞生了 “国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。

国际单位制几经周折，最重要的一项成果就是规定了七个基本物理量和它们的“主单位”。整个科学体系中，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到。大家请仔细观摩以下表格：

国际单位制

我们今天要重点展开的就是光的主单位——坎德拉——一个离不开人类主观视觉的，描述最客观宇宙本质的基本物理量。

从一根蜡烛开始的故事

大家知道牛顿靠一只苹果的启发，创立了近代力学；但是，牛顿同样用一块三菱镜，成为光学的奠基人。而在1760年，J.H.朗伯把牛顿的体系发扬光大，首创了光度学的基本体系，而我们接下来介绍的光的强度单位定义，其理论基础均来自光度学。

三菱镜示意图

对于光的强度单位定义，我们一开始的做法和定义质量、尺度的套路一样，简单粗暴的制作一个标准件来完成任务。正如一米的标准单位我们做了一把“一米长”的标准尺子，一公斤的标准单位我们也做了一块“一公斤”的标准砝码；那么我们只要制作出一个具备“标准光强度”的人造光源，就万事大吉了。

说干就干，科学家们最早期锁定的人造光源就是——蜡烛。

蜡烛表示，我可以的

这也是没办法的事情，太阳虽好，大家也不能把它随便拿到室内当器材用啊，但是蜡烛可以。正如同时代伽利略进行力学实验，使用的计时工具，就是自己的脉搏；大家一开始选择蜡烛，那是很正常也很合理的。

所以，在1860年，英国第一次制定发光强度单位，就以1磅鲸脑油制成6支蜡烛，蜡烛以每小时120格令（约等于7.776g）的速度燃烧，在火焰的水平方向的发光强度，定义为1烛光。英文名称为candel，中文直译就是烛光。

虽然简单粗暴，但这就是现代天文学、照明工业、遥感技术、色度学和电气光学等领域中，描述光的最基本物理量——光强度的起点。

电灯之后，再起波澜

岁月静好，科学家可没有闲着。1879年，美国发明家爱迪生，经过6000多次试验，点燃了第一盏真正具有使用价值的电灯，把人类带进光明时代。麦克斯韦等一帮物理大神，把光纳入了电磁波的大家庭之中，完成了电磁统一。科学家们也马上意识到，一种全新的光源的到来，即将改变整个世界。

爱迪生，电灯全靠我

1909年，美国、英国、法国等主要国家决定采用一组45支碳丝白炽灯代替蜡烛，作为保持发光强度的国际单位，取名为国际烛光。

光也从刀耕火种的原始时代，进化到电气时代。但很可惜，之后人类陷入一战和二战的泥潭中挣扎，光也在半个世纪的血雨腥风中，悄然不语。

战争阴影虽然笼罩了人类，但是科学界仍旧暗流涌动。

物理学的研究可没有停步，很快人类观测到，高纯金属相变点的温度非常稳定。铂凝固点温度为2042K，由黑体辐射的理论可知，黑体的发射能力很强，只要采用温度达到2042K的铂人工黑体，就能准确复现坎德拉这个单位。

1948年，战争的硝烟刚刚散去，国际上就开始推行第一个统一的发光强度单位，将光强度定义为：在铂凝固点温度下，黑体发生的光亮度为60新烛光每平方厘米。

新烛光比原来的烛光所复现的单位约小1.9%，所以单位名称由原来的英文candel改为拉丁文的candela以示区别。就是我们今天的主角——坎德拉。正是这个时候，沿用至今的光强度单位，正式登场。

普朗克，黑体辐射全靠我

随后，科学家意识到金属凝固点温度，与表面压力有关，在1967年，对坎德拉的定义再次进行了修改，定义为：坎德拉是在101325Pa压力下，处于铂凝固点温度的黑体的1/600000m^2表面在垂直方向上的发光强度。

由于引入了表面所受的压力，这个修正使得光强度在数量级上，取得了质的飞跃，定义也更加严格、精确。

眼前的黑不是黑，你要的白是什么白——光与量子力学

很快，科学家们又不满足了。爱因斯坦的相对论虽然惊世骇俗，但是当年帮他拿到诺贝尔奖的，是发现了光电效应。爱因斯坦当时广受关注的，还是光量子的命名。量子力学中，光量子被大家迅速发现和承认，开始施展它的影响力。

爱因斯坦，还得靠我，没错的。

在实践中，科学家们发现，要制作铂黑体或者准确的测量非铂黑体辐射体的温度，存在很大的困难；同时，这些基于源的复现温度，远低于现代光源的温度，会引入重要的转移不确定度。

简单的说，以光度学为基础的研究，定义很难跟上科学的新发展了。

在这个时候，借由量子力学诞生的光学分支辐射度学过来参了一脚，

简单的说，辐射度学是研究物理学所指的光（全谱系电磁波），例如电磁辐射能测量等种种，它定义了很多光的物理量，但和人眼无关；而光度学是研究人眼的历史最悠久的学科，定义的物理量和辐射度学虽然有点像，但得通过视觉函数才能联系起来。

视觉函数对应表

过程大致如下，辐射度学：“哥，现在是量子的时代，让我也加入吧，研究不进入量子领域，上不了桌面哦。”

科学家们眼前一亮，有道理，就这么定了！

通过引入辐射度学，提供了一个新的可能性，即以较高的准确度测量光辐射功率，这促使坎德拉的定义又发生了改变。

光示意图

1979年，第十六届计量大会再次进行了修改：一个光源在给定方向上发出频率为540×10^-12Hz（明视觉峰值，555nm的绿光）的单色辐射，且辐射强度为1/683W/sr时，其发光强度为1坎德拉。

这样在保持坎德拉的量值不变的前提下，从辐射强度的角度重新定义了光度学的单位。将隐含的“黑体宽带辐射给出”，用“单色辐射给出”替换掉；把坎德拉从一个基于人工制品的有限定义——一个特殊光源——演变为单一确定频率时的流明/瓦特比的精确已知的数字关系。

简单的说，我们将光强度的定义，从一个特定光源的实物，演化为用一个可测量的恒定的标准换算关系。

光的定义第一次从人的主观感觉获得解脱，向着客观规律的高层次定义迈出了第一步！

可谓光的一小步，人类的一大步啊！

结语

但即便如此，同学们先别高兴得太早，与其他6个基本物理量相比，发光强度——坎德拉，仍是一个与人的主观因素有关的物理量。

一开始我们的外星友人，遭遇的情况，并没有改变。而随着量子理论应用科学的发展，我们惊喜的发现，自己也很可能将遇到同样的麻烦。

我们与光的相互作用都可以处理为波或者粒子，需要产生最低视觉相应的最小光子数，与观测者的刺激变化有关，而经过测算，产生最低视觉相应的行为，最低需要6-9个光子。

而量子信息技术的进展，已经进入到单光子光源和纠缠的光子源的应用层次，仍然暗含人眼感官因素的物理量坎德拉，势必将遇到不可克服的问题。

光量子技术应用

光的强度这个基本物理量，仍将继续它的进化之旅，一刻不能停息啊。

革命尚未成功，同学们仍需努力啊！

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