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【科普】:宇宙中第一縷光從哪里來?光的工作原理是什麼?
2023/01/09

光既常見又神秘。我們每天沐浴在金色陽光的溫暖中,用白熾燈和熒光燈來驅除黑暗。但光到底是什麼?當陽光穿過布滿灰塵的房間時,當暴風雨過后彩虹出現時,或者當一杯水中的吸管看起來彎曲時,我們瞥見了它的本質。然而,這些一瞥只會引出更多的問題。光是以波、射線還是粒子流的形式傳播?是單色還是多種顏色混合在一起?光有哪些共同的特性,如吸收、反射、折射和衍射?宇宙中第一縷光從哪里來(即光的起源)?

圖:作為居住在陽光燦爛的地球的公民,很難忽視陽光的存在。在這篇文章中,我們向光致敬,因為一個無光的世界將是一個陰郁的地方。

你可能認為科學家們知道所有的答案,但是光仍然讓他們感到驚訝。舉個例子:我們總是想當然地認為光的傳播速度比宇宙中任何東西都快。 然后,在1999年,哈佛大學的研究人員通過一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體的物質狀態,將光束的速度降低到每小時每小時61公里。正常光速度是該速度的1800萬倍!就在幾年前,沒人會想到會有這樣的壯舉。然而,當你認為你已經弄明白了光原理時,它卻無視你的努力,似乎又改變了它的性質。

不過,對光的理解,我們已經取得了很大進展。科學史上,世界上一些智者用他們的聰明才智全心身投入到光的研究。阿爾伯特·愛因斯坦試圖想象「騎」在光束上會是什麼樣子。」如果有人追著一道亮光跑呢?」他問自己,「如果一個人跑得足夠快,與光一樣快時,時間會不會靜止?」

不過,愛因斯坦對光的研究已經走在了最前面。要了解光的工作原理,我們必須把它放在適當的歷史背景中。 我們的第一站是古代世界,在那里,一些最早的科學家和哲學家思考了這種神秘物質的真實本質,這種物質能刺激視覺,使事物可見。

光是什麼?

幾個世紀以來,我們對光的看法發生了巨大的變化。關于光的第一個真正的理論來自古希臘人。其中許多理論試圖將光描述為光線——一條從一點移動到另一點的直線。畢達哥拉斯以直角三角形定理而聞名,他提出視覺是由人的眼睛發出的光線照射物體而產生的。

伊壁鳩魯的觀點正好相反:物體產生光線,然后光線傳播到眼睛。其他希臘哲學家——最著名的是歐幾里德和托勒密,非常成功地使用射線圖來顯示光是如何從一個光滑的表面反彈,或在從一個透明介質到另一個透明介質時發生折射彎曲。

阿拉伯學者將這些思想進一步錘煉,發展了現在所稱的幾何光學——將幾何方法應用于透鏡、鏡子和棱鏡的光學。最著名的幾何光學實踐者是伊本·海瑟姆(ibn al-haytham),他在公元965年到1039年間生活在當今的伊拉克。 伊本·海瑟姆(ibn al-haytham)識別了人眼的光學成分,并正確地描述了視覺是光線從物體反射到人的眼睛一個過程。這位阿拉伯科學家還發明了針孔照相機,發現了折射定律,并研究了一些基于光的現象,如彩虹和日食。

到了17世紀,一些著名的歐洲科學家開始對光有不同的看法。一個關鍵人物是荷蘭數學家-天文學家克里斯蒂亞安·惠更斯。1690年,惠更斯出版了他的《光論》,他在其中描述了對光的理解。在這個理論中,他推測了某種無形的媒介——以太——的存在填補了物體之間的所有空白空間。他進一步推測,當發光體在以太中引起一系列波或振動時,光就形成了。然后,這些波向前推進,直到遇到物體。如果那個物體是眼睛,波浪會刺激視覺。

這是最早,最雄辯的光波理論之一。不是每個人都接受它,艾薩克·牛頓就是其中之一。在1704年,牛頓提出了一個不同的方案——一種將光描述為物質或粒子。畢竟,光以直線傳播,從鏡子上反彈,就像球從墻上彈下來一樣。沒有人真正看到過光粒子,但即使是現在,也不是那麼容易解釋為什麼會這樣。這些粒子太小,或移動太快,無法用眼睛看見這些單個粒子。

事實證明,所有這些理論既正確又錯誤,這些理論對于描述光的某些行為都很有用。

光線

將光線想象成光線,可以非常精確地描述三種眾所周知的現象:反射、折射和散射。讓我們花點時間討論一下。

在反射中,光線照射到光滑的表面(如鏡子)并反彈。反射光線總是以與入射光線擊中表面的角度相等的角度從材料表面反射出來。在物理學中,叫做反射定律,即是:「入射角等于反射角。」

光的反射定義

當然,我們生活在一個不完美的世界里,并不是所有的表面都是光滑的。當光線照射到粗糙的表面時,因為表面是不均勻,入射光線會以各種角度反射。這種散射發生在我們每天遇到的許多物體上。紙的表面就是一個很好的例子,如果你在顯微鏡下觀察它,你會發現它特別粗糙。當光照到紙上時,光波會向四面八方反射。這就是紙張如此有用的原因——無論你的眼睛從什麼角度看表面,你都可以閱讀印刷頁上的文字。

折射發生在光線從一種透明介質(比如說,空氣)經過另一種透明介質(水)時。當這種情況發生時,光線會改變速度,光線會折射,向我們稱之為「法線」的方向折射,這是一條與物體表面垂直的假想直線。光波的彎曲量或折射角取決于材料減緩光線的程度。光進入鉆石后,大大的減緩,因而能閃閃發光。鉆石的折射率比水高,也就是說,那些閃閃發光的光阱會在更大程度上減緩光線。

光的折射與反射

透鏡,像望遠鏡或眼鏡中的透鏡,利用的是光的折射。透鏡是一塊玻璃或其他透明物質,其彎曲的一面用來聚光或分散光線。透鏡用于折射每個邊界處的光。當光線進入透明材料時,它會被折射。當同樣的光線離開時,它又折射出來了。在這兩個邊界處折射的凈效果是光線改變了方向。我們利用這一效果來矯正一個人的視力,或者通過使遠處的物體看起來更近或者小物體看起來更大來增強視力。

不幸的是,射線理論不能解釋光所表現出的所有行為。我們還需要一些其他的解釋,比如我們接下來要討論的內容。

光波

與水波不同,光波遵循更復雜的路徑,它們不需要介質來傳播。

19世紀初,還沒有真正的證據來證明光的波動理論。這種情況在1801年發生了變化,當時英國醫生兼物理學家托馬斯·楊設計并運行了科學史上最著名的實驗之一。它今天被稱為雙縫實驗,需要簡單的設備——一個光源、一張并排開兩個孔的薄卡片和一個屏幕。

托馬斯·楊的雙縫實驗

為了進行這個實驗,托馬斯·楊允許一束光線穿過針孔,擊中卡片。他推斷,如果光線中含有粒子或簡單的直線光線,沒有被不透明卡擋住的光線就會穿過狹縫,以直線的方式傳播到屏幕上,在屏幕上會形成兩個亮點。托馬斯·楊沒有觀察兩個亮點,取而代之的是,他在屏幕上看到了明暗交替的條形碼圖案。為了解釋這種出乎意料的模式,他設想光像水波一樣在太空中傳播,有波峰和波谷。他這樣想,得出結論:光波穿過每個狹縫,形成兩個獨立的波前。當這些波前到達屏幕時,它們相互干擾,在兩個波峰重疊和疊加的地方形成了明亮的波帶,在波峰和波谷排成一列并完全相互抵消的地方形成了暗帶。

托馬斯·楊的工作激發了人們重新思考光的工作原理。科學家們開始提及光波,并相應地改變了對反射和折射的描述,指出光波仍然遵循反射和折射定律。順便說一下,光波的折射解釋了我們經常遇到的一些視覺現象,比如海市蜃樓。海市蜃樓是當從天空向地面移動的光波被加熱的空氣折射時產生的一種錯覺。

光是電磁波

19世紀60年代,蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(james clerk maxwell)在闡述電磁理論時,他把光描述成一種非常特殊的波——一種由電場和磁場組成的波。這些場與波的運動方向成直角振動,彼此成直角振動。因為光有電場和磁場,所以也被稱為電磁輻射。電磁輻射不需要介質來傳播,當它在真空中傳播時,以每秒約300000公里的速度移動。科學家稱之為光速,是物理學中最重要的數字之一。

一旦麥克斯韋引入了電磁波的概念,一切就井然有序了。科學家現在可以根據波的結構和功能,利用波長和頻率等術語和概念,開發出一個完整的光的工作模型。根據這個模型,光波有很多種大小。波的大小是以波長來衡量的,波長是連續波上任意兩個對應點之間的距離,通常是峰到峰或谷到谷的距離。 我們能看到的光的波長范圍從400納米到700納米(或十億分之一米)。但是電磁輻射定義中包含的所有波長范圍,從伽馬射線中的0.1納米延伸到無線電波中的厘米和米。

光波也有許多頻率。頻率是指在任何時間間隔(通常是一秒鐘)內通過空間某一點的波的數量。我們以每秒的周期(波)或赫茲為單位來測量它。可見光的頻率被稱為顏色,范圍從430萬億赫茲(紅色)到750萬億赫茲(紫色)。同樣,整個頻率范圍超出了可見部分,從無線電波中小于30億赫茲,到伽馬射線中大于30億赫茲(3×10^19)。

光波中的能量量與其頻率成正比:高頻光具有高能量;低頻光具有低能量。所以,伽馬射線的能量最大(部分原因是它對人類如此危險),而無線電波的能量最小。 在可見光中,紫色的能量最大,紅色最少。如附圖所示,整個頻率和能量范圍稱為電磁頻譜。注意,這個數字不是按比例繪制的,可見光只占光譜的千分之一。

這并不意味結束了對光的討論,愛因斯坦在20世紀初的工作重新喚起了一個古老的觀念,光,也許還是粒子。

光作為粒子

麥克斯韋對電磁輻射的理論處理(包括對光波的描述)是如此優雅和具有預見性,以至于19世紀90年代的許多物理學家認為,關于光及其工作原理,沒有什麼可說的了。然后,在1900年12月14日,馬克斯·普朗克(Max Planck)提出了一個簡單但令人不安的想法:光必須攜帶離散量的能量。他提出,這些數量必須是基本能量增量hf的單位,其中h是一個宇宙常數,現在稱為普朗克常數,f是輻射的頻率。

光照耀在太陽能板上釋放能量包,利用這些能量可以發電

在1905年,阿爾伯特·愛因斯坦研究光電效應時提出了普朗克的理論。首先,他開始在金屬表面照射紫外線。當他這樣做時,他能夠探測到從表面發射的電子。這是愛因斯坦的解釋:如果光中的能量成束,那麼人們可以認為光包含微小的塊狀或光子。當這些光子撞擊金屬表面時,它們就像撞球一樣,將能量轉移到電子中,電子從它們的「父」原子中分離出來。一旦釋放,電子沿著金屬移動或從表面彈出。

光的粒子理論回來「復仇」了。接下來,尼爾斯·波爾運用普朗克的想法來完善原子模型。早期的科學家已經證明原子是由正電荷核組成的,原子核被電子像行星一樣圍繞軌道,但他們無法解釋為什麼電子不能簡單地螺旋進入原子核。1913年,波爾提出電子存在于基于其能量的離散軌道上。當一個電子從一個軌道跳到一個較低的軌道時,它以光子的形式發出能量。

光的量子理論——光作為微小的包或粒子(稱為光子)存在的想法——慢慢開始出現。 我們對物質世界的理解將不再相同。

波粒二象性

起初,物理學家不愿意接受光的雙重性質。畢竟,我們很多人都喜歡有一個正確的答案。但是在1905年,愛因斯坦為接受光的波粒二象性鋪平了道路。我們已經討論過光電效應,它使愛因斯坦把光描述成光子。然而,同年晚些時候,他在一篇介紹狹義相對論的論文中,給這個故事增加了一個轉折點。在這篇文章中,愛因斯坦把光看作是一個連續的波場,這與他把光描述成粒子流的說法明顯矛盾。但那是他天才的一部分,他心甘情愿地接受了光的奇異性質,選擇了最能解決他試圖解決的問題的屬性。

光的波粒二象性

今天,物理學家接受了光的雙重性質。在這種現代觀點中,他們把光定義為一個或多個光子的集合,這些光子以電磁波的形式在空間中傳播。 這個定義結合了光的波和粒子的性質,使得重新思考托馬斯楊的雙狹縫實驗成為可能:光以電磁波的形式從一個光源傳播出去。當它遇到狹縫時,它穿過并分成兩個波前。這些波前重疊并接近屏幕。然而,在撞擊瞬間,整個波場消失,出現一個光子。量子物理學家經常這樣描述:擴散波「崩塌」成一個小點。

同樣,光子使我們能夠看到周圍的世界。在完全黑暗的環境中,我們的眼睛實際上能夠感知到單個光子,但通常我們在日常生活中看到的東西,都是以光源和物體反射出的無數光子的形式出現的。如果你現在環顧四周,房間里可能有一個光源產生光子,房間里的物體反射這些光子。你的眼睛吸收了一些流經房間的光子,你就是這樣看物體。

但是等等,什麼使光源產生光子?這是下一個我們會解決問題。

產生光子

產生光子的方法有很多,但所有方法都使用一個原子內部的相同機制來完成。這個機制涉及到圍繞每個原子核運轉的電子的激發。核輻射的工作原理對質子、中子和電子作了詳細的描述。 例如,氫原子有一個電子繞著原子核轉。氦原子有兩個電子圍繞原子核運轉。鋁原子有13個電子繞著原子核旋轉。每個原子都有一個圍繞其原子核旋轉的首選電子數。

電子躍遷后,回到低能級軌道時產生光子

電子以固定軌道繞著原子核旋轉——一種簡單的思考方法是想象衛星如何繞地球旋轉。圍繞電子軌道有許多的理論,但是要理解光,只有一個關鍵的事實需要理解:電子有一個穩態的自然軌道,但是如果你轟擊給原子,你可以把它的電子躍遷到更高的軌道。當處于高于正常軌道的電子回到正常軌道時,就會產生光子。在從高能下降到正常能量的過程中,電子發射出一個光子——一包能量——具有非常特殊的特性。光子的頻率或顏色與電子下落的距離完全匹配。

在氣體放電燈中你能很清楚地看到這種現象。 熒光燈、霓虹燈和鈉蒸氣燈是這種電燈的常見例子,它們通過電流使氣體發光。氣體放電燈的顏色根據氣體的種類和燈的結構而有很大不同。

例如,在高速公路和停車場,你經常會看到鈉蒸氣燈。你很容易分辨出鈉蒸氣光,因為鈉蒸氣光呈現黃色,該光是鈉原子受激發后產生光子形成。鈉原子有11個電子,由于它們在軌道上的堆積方式,其中一個電子最有可能接受和釋放能量。該電子最有可能發射的能量包恰好落在590納米波長附近,該波長對應于黃光。如果你用鈉光穿過棱鏡,你看不到彩虹——你看到一對黃線。

生物發光:生物體如何發光

產生光子的另一種方法稱為化學發光,涉及化學反應。當這些反應在細菌,螢火蟲,魷魚和深海魚類等生物中發生時,該過程稱為生物發光。至少需要兩種化學物質才能發光。化學家使用通用術語「熒光素」來描述一種產生光的物質。科學家用熒光素酶來描述驅動或催化反應的酶。

基本反應遵循一個簡單的順序。首先,熒光素酶催化熒光素的氧化。換言之,熒光素與氧發生化學結合,生成氧化熒光素。這種反應也會產生光,通常在光譜的藍色或綠色區域。有時,熒光素與一種被稱為光蛋白的大結構中的催化蛋白和氧結合。當離子(通常是鈣)加入到光蛋白中時,它會氧化熒光素,導致光活性和不活躍的氧化螢光素。

在海洋生物中,生物發光產生的藍光最有幫助,因為波長約470納米的光在水中傳播得更遠。而且,大多數生物體的視覺器官中沒有色素,使它們能夠看到更長(黃色、紅色)或更短(靛藍、紫外線)的波長。

接下來我們探討常見的白熾燈。

白熾度:使用熱量創建燈光

可能最常見的激發原子的方法是加熱,這是白熾燈的基礎。如果你用噴燈加熱馬蹄鐵,它最終會變得紅熱,如果你繼續加熱它,它就會變得白熱化。紅色是最低能量的可見光,所以在一個熾熱的物體中,原子剛剛獲得足夠的能量,開始發射我們能看到的光。一旦你施加足夠的熱量來產生白光,就會以多種不同的方式激發許多不同的電子,所有的顏色都會產生——它們都混合在一起,看起來像白色。

白熾燈

熱是我們看到光產生的最常見方式——一個普通的75瓦白熾燈泡利用電力產生熱量來產生光。電通過玻璃球內的鎢絲。因為燈絲太細,所以它對電提供了很好的電阻,并且該電阻將電能轉化為熱量。熱量足以使燈絲發白光。不幸的是,這不是很有效。進入白熾燈泡的大部分能量都以熱量的形式損失掉。實際上,與熒光燈相比,典型的燈泡每瓦輸入功率可能產生15流明,而熒光燈則每瓦產生50至100流明。

燃燒提供了另一種產生光子的方法。當一種物質——燃料——與氧氣迅速結合,產生熱量和光時,就會發生燃燒。如果你仔細研究篝火,甚至蠟燭火焰,你會注意到木頭或燈芯與火焰之間有一個無色的小縫隙。在這個間隙中,氣體上升并被加熱。當它們最終變得足夠熱時,這些氣體與氧氣結合,能夠發光。 那麼火焰是什麼呢?它其實是發出可見光、紅外線和一些紫外線的反應氣體的混合物。

下一步我們探討激光。

激光

光的量子性質的一個有趣的應用是激光。你可以了解激光的工作原理,但我們將在這里介紹一些關鍵概念。激光是「受激輻射的光放大」的縮寫,是描述光子波長相同、波峰和波谷同相的光的一種語言。在1960年,研究物理學家西奧多·邁曼(Theodore H.Maiman)研制出世界上第一台工作激光器:紅寶石激光器。紅寶石激光器包括紅寶石晶體、石英閃光管、反射鏡和電源。

紅寶石激光器

讓我們從紅寶石的特性開始,回顧一下邁曼如何使用這些組件來產生激光。紅寶石是一種氧化鋁晶體,其中一些鋁原子已被鉻原子取代。 鉻通過吸收綠色和藍色光并僅發射或反射紅光而賦予紅寶石其特征性的紅色。當然,邁曼不能使用天然存在的結晶狀態的紅寶石。首先,他必須將紅寶石晶體制成圓柱體。接下來,他將高強度石英燈包裹在紅寶石圓柱周圍,以提供白光閃爍。閃光中的綠色和藍色波長激發了鉻原子中的電子達到更高的能級。當這些電子返回其正常狀態時,它們發出其特征性的紅寶石紅光。

這就是它有趣的地方。邁曼在水晶的一端放了一面全反射鏡,另一端放了一面半反射鏡。反射鏡在紅寶石晶體中來回反射一些紅色波長的光子。這反過來又刺激其他被激發的鉻原子產生更多的光子,直到大量精確排列的光子在激光中來回反彈。每次反彈時,一些光子逃逸,這使得觀察者能夠感知到光束本身。

今天,科學家們用許多不同的材料制造激光。 有些,像紅寶石激光器,發出短脈沖光。其他的,如氦氖氣體激光器或液體染料激光器,發出連續的光束。

我們接下來研究絢麗多彩的彩虹。

制造顏色

可見光是人眼能夠感知的光。當你看到太陽的可見光時,它看起來是無色的,我們稱之為白色。雖然我們能看到這種光,但白色不被認為是可見光譜的一部分。那是因為白光不是單一顏色的光,而是多種顏色的光。

棱鏡色散

當陽光透過一杯水落到墻上時,我們看到墻上有彩虹。除非白光是可見光譜中所有顏色的混合物,否則這種情況不會發生。牛頓是第一個證明這一點的人。牛頓通過一個玻璃棱鏡把太陽光分成彩虹光譜。然后,他通過第二個玻璃棱鏡,并結合了兩個彩虹陽光,這種組合產生白光。 他的簡單實驗確鑿地證明了白光是多種顏色的混合物。

你可以用三個手電筒和三種不同顏色的玻璃紙做一個類似的實驗——紅色、綠色和藍色(通常稱為RGB)。用一到兩層紅色玻璃紙覆蓋一個手電筒,并用橡皮筋固定玻璃紙(不要用太多層,否則會擋住手電筒的光線)。用藍色玻璃紙覆蓋另一個手電筒,用綠色玻璃紙覆蓋第三個手電筒。進入一個黑暗的房間,打開手電筒,把它們照在墻上,使光線重疊,如圖所示。

在紅光和藍光重疊的地方,你會看到洋紅色。在紅綠燈重疊的地方,你會看到黃色。在綠色和藍色的光重疊的地方,你會看到青色。您會注意到,可以通過多種組合來發出白光,例如黃色與藍色,洋紅色與綠色,青色與紅色,以及將所有顏色混合在一起。

通過添加這些所謂的附加色(紅、綠和藍光)的各種組合,可以使可見光譜的所有顏色都可見。 這就是計算機監視器(RGB監視器)生成顏色的方式。

顏料與吸收

另一種制造顏色的方法是吸收一些光的頻率,從而從白光組合中去除它們。被吸收的顏色是你看不到的顏色——你只能看到反彈回你的眼睛的顏色,這被稱為減色法。這就是顏料和染料發生的情況,顏料或染料分子吸收特定的頻率,并反彈或反射其他頻率到你的眼睛。反射頻率是你所看到的物體的顏色。例如,綠色植物的葉子含有一種叫做葉綠素的色素,它吸收光譜中的藍色和紅色,并反射綠色。

減色法:我們看到光是物質反射的光,其余被吸收

你可以用原子結構來解釋吸收這一現象。入射光波的頻率等于或接近材料中電子的振動頻率,電子吸收光波的能量并開始振動,下一步會發生什麼取決于原子與電子的結合有多緊密。 當電子被緊緊抓住時,吸收就發生了,它們將振動傳遞給原子核。這使得原子加速,與物質中的其他原子碰撞,然后以熱的形式放棄從振動中獲得的能量。

光的吸收使物體暗或對入射波的頻率不透明。木頭對可見光是不透明的,有些材料對某些頻率的光是不透明的,但對其他材料卻是透明的。玻璃對紫外線不透明,但對可見光透明。

光的起源

今天的科學家們接受光子的存在及其奇怪的波粒子行為。他們仍在爭論的是事物存在的一面,比如光從哪里來。為了回答這個問題,物理學家們把注意力轉向了大爆炸和爆炸隨后的幾分鐘。

宇宙從奇點爆炸

你可能還記得大爆炸是宇宙誕生的事件。你可以閱讀更多關于大爆炸理論是如何工作的,但是在這里提醒你一些基礎知識會很有用。 大約150億年前,所有的物質和能量都被封閉在一個叫做奇點的小區域。一瞬間,這種單點的超致密物質開始以驚人的速度膨脹。隨著新生宇宙的膨脹,它開始冷卻并變得不那麼稠密。這使得更穩定的粒子和光子得以形成。

下面是可能發生的事情:

緊接著大爆炸之后,電磁不再作為一種獨立的力量存在。相反,它加入了弱小的核力量。 此時稱為B和W玻色子的粒子也存在。 當宇宙只有0.00000000001秒大時,它已經冷卻到足以讓電磁力從微弱的核力中掙脫出來,并讓b和w玻色子結合成光子。光子與夸克自由混合,夸克是物質的最小組成部分。 宇宙0.00001秒時,夸克結合形成質子和中子。 當宇宙形成0.01秒時,質子和中子開始形成原子。 最后,當宇宙還處于38萬年的幼年時,光子釋放出來,光線穿過黑暗的太空裂縫。

這種光最終變暗變紅,直到恒星中的核熔爐啟動并開始產生新的光。我們的太陽大約在46億年前開啟,向太陽系噴涌出光子。從那以后,這些光子就一直流到我們藍色星球。一些光子落在偉大的思想家——牛頓、惠更斯、愛因斯坦——的眼中,使他們停下來、思考和想象。

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