用激光筆射向夜空，如果關閉開關，先前發射那束光還會在宇宙中嗎

twq19810302

先做一個開篇提問：用一支激光筆射向夜空中，當你關閉開關的瞬間，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎？（文末解答）

光的本質是什么？

為什么同樣一束光可以穿過玻璃，卻不能穿過我們的身體或者墻壁，光在穿過玻璃而過的過程中，玻璃里發生了什么？鏡子為什么可以反射光？光子沒有質量，為什么光會產生光壓？沒有質量的光又為什么會被黑洞吸引？光照射在太陽能板上為什么會產生電流？

這一連串的為什么或許我們沒有去了解過，今天我們就來探究一下，光到底是什么？

光粒子說

1638年，法國數學家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。

并在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對于光的觀點。他認為光也是有大量堅硬粒子組成的。牛頓隨后對于伽森荻的這種觀點進行研究，他根據光的直線傳播規律，最終于1675年提出假設，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。微粒說很容易解釋光的直進性，也很容易解釋光的反射，因為粒子與光滑平面發生碰撞的反射定律與光的反射定律相同。

光粒子說示意圖

# j. Z) R9 I4 A& o/ m1 P

光的反射現象

0 F1 I( [- |- l+ ~& a! u+ J0 @

然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質分界面處會同時發生反射和折射，以及幾束光交叉相遇后彼此毫不妨礙地繼續向前傳播等現象時，卻發生了很大困難。

& T* r4 M5 ?0 M1 \) `5 w

同時折射與反射

$ ?" U7 l# @/ {% r3 r0 h

互不干涉現象

不是粒子那是什么呢？

& B# q( E4 t0 B7 P6 c! O

電場

帶電體周圍存在著一種特殊物質，那就是電場。記住，它是一種物質，是一種特定的存在，是用眼看不到的，但可以感覺得到的存在。不信的話，可以伸手試試！比如下圖的靜電場。我們用眼睛看不到，但是我們的頭發卻很“誠實”。

# j4 J/ J8 r! ?

19世紀30年代,英國科學家法拉第提出了“電荷的周圍存在著由它產生的電場”這一觀點，隨后物理學理論和實驗不僅證實了法拉第的這一觀點，而且證明了電場是一種客觀存在的物質形式。電場是看不見、摸不著的，為了形象地描述電場中各點電場強度的大小和方向，法拉第還引入了電場線的概念。

- s; o2 P6 z# `1 [) B

) X- x) F2 Y4 ?0 J

對比一下上圖，我們的頭發是不是形象地詮釋了電場線的存在？

電場這種物質不是由微觀粒子構成的，它既不是分子，也不是原子，但它確實是存在的，不但有大小，而且有方向。若把一個帶電的粒子放在它的周圍，帶電粒子就會受到力的作用，這個力就是電場力。

磁場

磁場是一個物理概念，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是由運動著的微小粒子構成的，在現有條件下看不見、摸不著。磁場具有粒子的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用在物理層面接觸就能發生作用。

! A) g( V7 u' \; b

磁鐵的磁力線

磁鐵為什么會產生磁場？簡單的說就是磁鐵這種物質的每個四氧化三鐵分子所產生的分子電流在整體上是高度有序的，導致整塊磁鐵產生了磁性。

分子電流又稱“安培電流”。分子或原子中由電子運動所形成的電流。可用以說明物質的磁性。

5 ~. I: B/ A/ M% J9 q( M, ^

& ?+ I  u  _4 E( \. P' y. G6 g
1 T: H. b6 |' s$ I

關于物質磁性本質的假說。由安培于1821年提出。他觀察到通電螺線管有像磁體一樣的作用，認為一切磁現象的根源是電流的存在。磁性物質的分子中存在著回路電流，稱為分子電流，分子電流相當于基元磁體。物質的磁性就決定于物質中分子電流對外界的磁效應的總和。分子電流與導線中通過的宏觀電流是有本質區別的，安培的假說把永磁體產生的磁場與宏觀電荷運動產生的磁場統一了起來。安培的假說與現代對物質磁性的理解是相當符合的，所以仍被采用。根據安培假說，基元磁體兩個磁極對應于圓形電流的兩個面，顯然這兩個面是不能單獨存在的，由此很容易解釋磁體的N、S兩極不能單獨存在的原因。

& o$ T& C$ R; N. x2 R$ a

電磁場與電磁波

我們知道了電場，也知道了磁場，這兩個東西在一起就創造了一個叫電磁場的東西。打個比方，電磁場就像一汪平靜的湖水，突然有人扔了一顆石頭進去，就形成了水波向遠方傳播開，你在湖東岸扔的石頭，最終水波會傳到湖的西岸。

電磁場的向外傳播就形成了電磁波。電和磁能相互轉化，按中學物理教科書的說法，即是交變的電場能產生磁場，交變的磁場又能產生電場。讓我們想象一下，電場產生磁場，磁場產生電場，然后電場又產生磁場，無限循環下去，電場和磁場就會以波的形式向外傳播出去。

2 J/ b4 n. K+ x" D  Z) ]- y4 r

電磁波示意圖

電磁場包含電場與磁場兩個方面，分別用電場強度E（或電位移D）及磁通密度B（或磁場強度H）表示其特性。按照麥克斯韋的電磁場理論，這兩部分是緊密相依的。電磁波的傳播速度與光速相等。

. [. H: L* z, I- j0 I
. ~* Z3 D* Z! D# e0 Z  k0 ~$ I

電磁波是能量傳播形式的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。且溫度越高，放出的電磁波波長就越短。

光是電磁波的一種

寫到這里，我們揭秘光的其中一種比較主流的解釋，光屬于一種電磁波。只是我們人類定義頻率在380~750兆赫，波長在390nm - 780nm（納米）之的電磁波叫做可見光，而對于動物來說，它們眼中的光和我們大不同。

! _4 _# V$ X; k; a

( Z' K' e/ S# x5 i$ u) Z+ n4 t

電磁波譜表-可見光波譜

比如動物中的北美馴鹿就是能看到紫外線的佼佼者。它們眼中的蘑菇可能是這個樣子的。

$ N+ A, D' b) e+ o

- @4 U% S% Z. C6 d2 p

馴鹿每年都會遷徙，在遷徙過程中，他們依靠紫外線，分辨地衣，地衣是他們遷徙途中的主要食物。利用紫外線，他們還能分辨出食肉動物的尿液和白雪，因為尿液吸收紫外線，而白雪反射紫外線，這使得馴鹿可以避免偶遇食肉動物。再比如蛇，它們能感知紅外線，并非通過眼睛，而是通過熱窩結構，然后在大腦中AI出獵物的紅外影像再與視網膜圖像疊加。

) M* _) J4 ~% g6 X

而對于短波收音機來說，它們“看到”的“光”是波長10~100米的電磁波。而假設人類眼睛能看到4G發射臺發出的電磁波，我們站在高處將會看到這樣的景象。

5 Z( ^+ J' e8 [( W' {4 N* n

如果光是電磁波的一種，那么來解釋一下玻璃為什么是透明的？這個問題應該問成，玻璃這種材質在可見光范圍內看起來為什么是透明的？因為有些電磁波在穿過鋼化玻璃時信號會衰減得很厲害，那么對這些波段來說，玻璃就不是透明的，而是類似毛玻璃的效果。

鏡子的制造原理其實很簡單，就是在透明的玻璃表面鍍一層不透明的金屬膜（現代制鏡通常是鍍銀），使其表面能夠成像。那么，為什么玻璃透明而金屬不透明呢？

" N2 L  F; o  Y8 W5 s; T5 \

簡單來說，玻璃之所以透明是因為它無法吸收可見光，而金屬不透明是因為它吸收了可見光。這個道理聽起來很容易理解，那么，決定物質能否吸收可見光的因素是什么呢？

6 o- d& O& C) Y* n' S6 W, |

可見光作為一種電磁波，本身是含有能量的，因此，物質原子中的電子可以借助可見光的能量進行躍遷。不過躍遷能否成功，還要取決于這種物質中電子的活躍度。比如金屬，金屬容易成為導體說明其中的電子比較容活躍，當可見光照射到金屬表面，其中所含的能量馬上被金屬中的電子吸收，光線能量迅速衰減，使得金屬看起來不透明。而玻璃是絕緣體，說明其中的電子不活躍，所以光波的能量不會被電子吸收。就從玻璃介質中傳播過去了。

* U7 @0 y+ h7 g; t

金屬都是以金屬鍵結合而成的金屬晶體,金屬原子以最緊密堆積狀態排列,金屬內部有自由電子,它的運動范圍是整塊金屬,當白光照到金屬表面時,自由電子能吸收所有波長的光,隨即又反射出來,因此絕大多數金屬(除金呈黃色、銅呈赤紅、銫呈淺黃、鉍為淡紅、鉛為淡藍以外)都呈現銀白色光澤。

, x- W, m) b) d" V) F0 \/ K+ X

不過，金屬的這種不透明，是基于可見光的能量條件（不同波長的電磁波能量也不同）。如果改變這個條件，情況就會發生變化。

我們知道，可見光是電磁波中波長范圍在400～800nm的部分。除了可見光，電磁波中還有其他為我們所熟知的部分，比如微波爐所使用的微波，其波長范圍是1mm~1m；還有醫院用來檢查身體的X射線，其波長范圍是0.01～10nm。

在可見光狀態下，我們的身體是不透明的，我們不能透過皮膚和肌肉看清體內的骨骼和器官；但是在X射線條件下，肌肉和骨骼吸收X射線的能力不同，我們可以通過X射線，清楚地看到骨骼和器官。

3 d  F+ d" c6 @$ E& x( o! J5 I! S

8 I; g5 ?3 I" E6 t! ~) M

X光照片

因此，假設存在一種射線，連金屬中電子躍遷所需的最低能量都無法達到。那么，在這種射線條件下，金屬就是透明的。或者我們也可以嘗試把金屬打磨到無限薄，薄到其中的電子含量可以忽略不計。在這種情況下，金屬吸收的能量非常有限，即便受到可見光的照射，看起來也有可能是透明的。

: h9 V$ {2 c# |) j) n# H0 H& e7 G

有透明的金屬嗎？

目前有一種材料，兼具透明和導電的特質，常被應用于手機和平板電腦屏幕，這種材料就是ITO，即氧化銦錫。

氧化銦錫是一種半導體。半導體中的能帶不是連續的，能帶和能帶之間存在著能量差異。因此，與金屬中的電子相比，半導體中的電子需要吸收更多能量才能完成躍遷。

為了在高空防止風擋結霜，客機風擋上會涂抹一層氧化銦錫薄膜。氧化銦錫既能導電又透明。

( i5 D7 d* {9 c3 W5 A, A

/ Y! Q/ I; D$ ~+ G( y5 m

氧化銦錫薄膜在可見光下出現干涉彩虹

& A, H" j' g' ?  G' Q

光電效應

圖片是中國空間站上的太陽能帆板，是把光變成電的裝置。光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電。光電現象由德國物理學家赫茲于1887年發現，而正確解釋這一現象的人是愛因斯坦。科學家們在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質有了更加深入的了解，這就導致光只是電磁波的說法受到了挑戰。

* h' E' L3 _0 Z; W8 G

讓科學家絕望的光雙縫干涉實驗

光電效應里電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

7 o1 H3 t$ ^! P( c0 S

光電效應說明了光具有粒子性。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射。到這里科學家只能認為光同時具有粒子性也同時具有波動性。稱為光的波粒二象性。

光的最新解釋-光量子說

光量子假說的主要觀點：光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少與波長相關, 波長越短, 能量越高。當一個光子被物體的分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態變成了激發態。光子具有能量，也具有動量，更具有質量，按照質能方程，E=MC^2=HV, 由于光子無法靜止，所以它沒有靜態質量，而具有相對論質量。

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質；而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態，但單個光子沒有確定的動量或偏振態。

" i! U3 ]6 Q9 U, D

光沒有靜態質量，但是有相對質量，所以光可以產生光壓。太陽光帆飛船就是這個原理。

太陽光帆飛船

: I6 p/ m9 E# L( r. |8 }( a, i

光沒有質量為什么會被引力彎曲，甚至逃不出黑洞？因為光所傳播的場被引力彎曲了，所以光就跟著彎曲了，光好比在公路上奔馳的汽車，路如果轉彎了，車也一定會轉彎。

; K% J7 c! o- `6 ?* u( h

引力陷阱

梵觀點：今天寫的有點多，因為光到目前為止人們都沒有完全搞懂它的本質。開篇的問題“用一支激光筆射向夜空中，當你關閉開關的瞬間，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎？”回答是：按光量子說，會存在的，并且一直在宇宙中傳播，直到被其他星體或者物質吸收了。

9 Y5 R+ [& @/ f$ [3 h7 {/ n( Q0 G

比如我們現在的夜空，很多光線是從百億光年外傳到地球的，現在那個地方，那顆星星可能早已經不在了，但是連續發出來的光還一直都在！

zjhcnsod

量大料足
& e, O* g% |  r$ Y1 o" b8 o7 f1 K

大白小白

X光圖經典

武漢老虎

科技前沿

平凡yjr

厲害