光，由跳变所造、也由跳变所灭
你见过的几乎每一束光——蜡烛、太阳、霓虹灯、你的手机屏幕——都诞生于原子在能级之间的跳变。一个原子可以停在一架固定的能级“梯子”的任意一格上，这些格子有确定的高度，格与格之间是被禁止停留的间隙。当原子从高的一格掉到低的一格时，它失去的能量必须有个去处，于是这能量以一个单独的光的小包裹的形式离开：一个光子。这个光子的颜色，恰好由那一“级”能量台阶的大小决定——大幅下落给出蓝光，小幅下落给出红光。
反过来运行，你就得到吸收。一个能量恰到好处的光子，可以被一个原子“吞下”，从而把它从低的一格抬到高的一格。这种匹配很挑剔：只有能量恰好等于某个间隙的光子才会被接纳。正因如此，每一种原子都会在穿过它的任何光上，印下一道由若干锐利谱线构成的、独一无二的“条形码”——它的原子光谱。在星光里读出这道条形码，你就能叫出一颗你永远不会造访的恒星里的元素之名。
为什么一个孤零零的原子也会发光
这里有个谜题，前面几篇已经为它做了漂亮的铺垫。黄金法则说，一个处于能量态的系统，若被完全独处，永远不会跳——它需要一个轻推。那么，一个被激发的原子，待在一片漆黑里、周围没有任何东西去戳它，为什么最终还是会自己掉下来、发出光呢？这就是自发辐射，长久以来它看上去像是这条法则里一个货真价实的“漏洞”。
谜底是物理学中最可爱的想法之一：空荡荡的空间并非真正空无一物。 即便是完美的黑暗，也嗡嗡地颤动着电磁场那微弱而无法消除的“抖动”——这是真空本身的不安分。原子从不曾真正孤单；这些无处不在的抖动，正好提供了黄金法则所要求的那一丝轻推。所以自发辐射根本不是法则的例外；它正是黄金法则被应用到“一个正被量子真空亲自挠痒”的系统上。原子之所以发光，是因为虚空不肯安静下来。
受激辐射：用光造出更多的光
还有第三种过程，正是它永远地改变了技术。设想一个原子已经被激发，这时一个颜色恰好对的光子从旁飘过。这个经过的光子不会被吸收，反而能诱使原子*此刻就*掉下来——而原子发出的那个光子，会作为触发它的那个光子的完美孪生体出现：同样的颜色、同样的方向，步调一丝不差。这就是受激辐射：进去一个光子，出来两个一模一样的光子。爱因斯坦早在 1917 年就纯粹凭一个自洽性论证推断出它必然存在，比任何人造出利用它的装置都早了几十年。
现在你能看出那场连锁反应了。两个孪生光子可以各自再触发出两个，然后是四个、八个——一场由一模一样的光子构成的雪崩，全都是同一种颜色、全都步调一致。这场雪崩就是激光，而 LASER 这个词，字面上就是“通过受激辐射实现光放大（light amplification by stimulated emission of radiation）”的首字母缩写。每一台激光器，从超市的扫码器到外科手术设备，靠的都是本段所描述的这一个量子过程。
ABSORPTION : photon in + atom(low) -> atom(high) [light eaten] SPONTANEOUS : atom(high) -> atom(low) + photon [random twin-less photon] STIMULATED : photon in + atom(high) -> atom(low) + 2 identical photons [light cloned]
如何造一台激光器，以及最后的回望
有一个麻烦，让激光器很难造。一个经过的光子，被一个处在低处的原子*吸收*，和被一个处在高处的原子*克隆*，对它来说是同样乐意的两件事。在普通物质里，大多数原子都待在低处，于是吸收占了上风，任何雪崩都会熄火。要获得放大，你必须设法让被激发的原子比放松下来的原子还多——这是一种头脚倒置、违反自然倾向的状态，叫做粒子数反转。通过把能量泵入的速度调得比原子释放能量的速度还快，来制造出这种反转，正是每一台激光器的核心戏法。
退后一步，欣赏一下这一个想法把我们带出了多远。这一级阶梯，我们从单独一条原理出发——在两次测量之间，量子态在能量的引导下平滑地流动。由它，引出了幺正演化与传播子；由一个小扰动，引出了费米黄金法则及其选择定则；再把这一切应用到原子和那不安分的真空上，便引出了光的发射与吸收——那支蜡烛、那道为恒星“按指纹”的光谱，以及激光。原来，量子力学那安静、守规矩的一面，正是点亮整个世界的那一面。