光是什么？

人老顛東 2021-12-07

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對光的研究起源于古希臘，在那里，哲學家們開始思考視覺是如何工作的。柏拉圖和畢達哥拉斯等思想家認為，我們的眼睛會發(fā)出微弱的光線進行探測。這些光線將收集我們周圍物體的信息，并以某種方式將這些信息帶回給我們。

大約一千年后，阿拉伯數(shù)學家阿爾哈曾（Alhazen）通過提出一個簡單的問題證明了這些哲學家的錯誤：如果我們的眼睛能發(fā)光，為什么我們在黑暗中看不見任何東西？

阿爾哈曾提出了自己的視覺理論。他認為，我們的眼睛不會創(chuàng)造光線而是捕捉光線。根據(jù)他的說法，我們看見物體的圖像，來自于從物體身上反射到我們的眼睛里的太陽光線。

阿爾哈曾的理論是對的，我們身邊的物體都會反射光線。

這個理論同樣可以解釋為什么我們可以看到不同的顏色。當我們將光線照射到玻璃棱鏡上時可以看到，白光包含各種顏色的光。

例如，當白光照射到一個紅蘋果上，這個蘋果會吸收除紅光外的所有光。這樣，紅光就可以被反射到我們眼中并讓我們看到這個蘋果。

我仍然沒有解釋光到底是什么。讓我們先看一看維基百科給出的光的定義：

光或可見光是可被人眼感知的電磁輻射。

電磁頻譜

所有的電磁輻射的頻譜被稱為電磁頻譜?？梢姽馐遣ㄩL大約在380-700納米之間的電磁波。

電磁輻射是空間中以光速傳播的電和磁的振動。電磁波和機械波（聲波、湖面的水波等等）之間最大的區(qū)別是電磁波的傳播不需要介質（比如水或空氣）。

我們來考察一下聲波這種機械波：

我們可以看到一根桿在空氣中往復運動。相應的，空氣粒子（黑點）也開始運動。它們之所以這樣運動，完全是由于壓力的作用。

粒子密度越大，壓強就越大；粒子密度越低，壓強就越小。粒子總是從高壓區(qū)域移動到低壓區(qū)域。可以想象一個氣球：對于吹飽的氣球，氣球內(nèi)部的壓強高于氣球外部的壓強（相同空間量下的空氣粒子數(shù)）。當你松開氣球的末端時，空氣粒子將被推出氣球，氣球將會收縮。這表明空氣顆粒從高壓區(qū)域移動到低壓區(qū)域。

如果仔細觀察移動的粒子，您可能會注意到每個粒子都在兩個依次出現(xiàn)高壓的區(qū)域之間來回移動。正是這種運動產(chǎn)生了波動。粒子本身不會從運動的桿那里移動到人的耳朵，但桿的能量可以。機械波只傳輸能量，不傳輸質量。這些波需要介質中的粒子來傳輸能量，然后這些粒子再把能量傳遞給其他粒子。機械波的另一個形象的例子是倒下的多米諾骨牌。

正如前面提到的，電磁波的傳播不需要介質，它們可以在真空中傳播。

電磁波

電和磁是相輔相成的。甚至有一整個物理學的學科來專門研究它們之間的關系，那就是電磁學。

任意移動的電荷都會產(chǎn)生磁場。例如，當電流在直導線中運動，導線周圍就會形成一個電磁場。

如果想增強磁場的強度，那么你可以把導線繞成線圈。這正是電磁鐵的基本工作方式。

變化的磁場同樣可以產(chǎn)生電場，進一步可以產(chǎn)生電流。

電流只有在磁鐵運動（磁場變化）的時候才會產(chǎn)生。

既然知道了電和磁之間的基本關系，我們就可以重新思考電磁波了。

創(chuàng)造電磁波 | 加速電子

一個加速的帶電粒子（如一個電子）會產(chǎn)生一個電場，它的運動也可以產(chǎn)生一個磁場。這個磁場會進一步產(chǎn)生另一個電場，電場又會產(chǎn)生新的磁場，電場和磁場就會這樣彼此激發(fā)下去。結果就是在空間中產(chǎn)生一個高速傳播的電磁波。

思緒有點跟不上了？別擔心，我們來看一看接下來的解釋：

加速電子可以通過在電線（天線）的中心放置交流發(fā)電機來實現(xiàn)，這可以在導線中產(chǎn)生交變電流。前面我提到過，電荷的任何運動都會產(chǎn)生磁場。因為我們的電線中有電荷運動，所以電線周圍會形成磁場，磁場周圍會形成另一個電場，周圍的電場將再形成另一個磁場。于是產(chǎn)生了一個自發(fā)的、隨時間變化的電場和磁場互相激發(fā)的過程，電場和磁場會傳播到距離天線越來越遠的地方。這樣我們就產(chǎn)生了電磁波。

電場和磁場之間總是相互垂直的。

上面的圖只表現(xiàn)出電場線或磁場線中的一條。真實的電磁波可以用下圖表示。矢量 E 代表電場，矢量 B 代表磁場。

現(xiàn)實中，從天線出發(fā)的電磁波會向各個方向傳播。

通過控制電流在天線內(nèi)改變方向的速度，我們可以控制電磁波的頻率。頻率越高，波的壓縮程度越高（波長越?。?。波的頻率不影響波本身的傳播速度。傳播速度始終等于光速。

創(chuàng)造電磁波 | 激發(fā)電子

使用天線并不是產(chǎn)生電磁波的唯一方法。電子從原子中的高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)同樣可以發(fā)出電磁波?？梢钥吹?，在原子內(nèi)部，電子圍繞原子核運行。電子離中心越遠，其能級越高。

我們可以通過多種方式來向原子注入能量使電子遠離原子核。但是，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，被激發(fā)的電子將不可避免地回到其初始的能量狀態(tài)。剩余的能量（發(fā)射能量）隨后以光子的形式釋放。根據(jù)電子釋放能量的大小，光子也會攜帶或多或少的能量。

但，什么是光子？光子是一種沒有靜質量的粒子，它代表光最小離散的能量。當一個粒子的質量足夠小時，它就會表現(xiàn)出像波一樣的特性。光子沒有靜質量，所以它表現(xiàn)得像波一樣。但是，之前我們都說光是由電磁波構成的，現(xiàn)在為什么突然把它看成粒子了？

為了更好地理解這一點，我們必須回顧一下持續(xù)了幾個世紀的關于光是波還是粒子流的爭論。

是波還是粒子？

17世紀，艾薩克·牛頓進一步發(fā)展了微粒理論。在這個理論中，光是由微小光粒子組成的。這些粒子以光速進行直線運動。他可以利用這個理論來解釋光的反射和折射。但是，微粒理論不能解釋光其他所有的性質。例如，光會產(chǎn)生干涉圖樣。當兩個（或更多）波相互干涉時，這些圖樣就會產(chǎn)生。粒子流不能形成干涉圖樣，只有波的干涉可以產(chǎn)生。此外，不同波長的波可以解釋為什么可以看到各種不同的顏色，這是為什么光應該是波而不是粒子流的另一個原因。基于一些類似的實驗，荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯的波動論被廣泛接受；在19世紀，詹姆斯·麥克斯韋甚至可以證明光是一種以光速在空間中傳播的電磁波。

但是，到了20世紀，像愛因斯坦等科學家做了一些新的實驗。這些實驗似乎表明光實際上是由粒子流組成的。他們做的最重要的實驗與光電效應有關：當我們將光線照射到金屬上時，就會產(chǎn)生光電效應，電子會從金屬表面發(fā)射出來。

這些實驗之所以特別，是因為當你增強入射光的光強，發(fā)射出的單個電子的能量不變。光強只會改變發(fā)射出來的電子數(shù)。光強越強，發(fā)射的電子越多。如果光是波的話不可能發(fā)生這種情況。因為，當波照射到電子上后，電子會從光波中吸收能量，同時抵消掉這部分光。這意味著增加光強可以增加每個發(fā)射電子的動能。

這個實驗的結果讓科學家感到很困惑。為了更好地了解發(fā)生了什么，他們保持入射光光強不變，但改變光的頻率（不同的顏色）。結果表明，頻率越高，發(fā)射電子的動能越高。

多虧了這些實驗，使得愛因斯坦能夠解釋到底發(fā)生了什么。他說，光不僅僅是一種波，它由被稱為光子的離散波包組成。當光子有足夠的能量時，它可以讓電子從金屬中溢出。光強越大，越多的光子射向金屬表面，因此從金屬中發(fā)射的電子也就越多。光的頻率越高，每個光子的能量越高，導致發(fā)射的電子具有更高的動能。

最后的思考

總之，光既是一種波，同時也是一種粒子流。在量子力學中，這被稱為波粒二象性。阿爾伯特·愛因斯坦在解釋完光電效應后寫道：

我們好像有時必須使用一種理論，有時必須使用另一種理論，而有時我們可以使用其中任意一種。我們面臨著一種新的困境。我們對現(xiàn)實有兩種相互矛盾的看法；它們各自都不能完全解釋光的現(xiàn)象，但把它們結合在一起，就可以解釋光是什么了。

——愛因斯坦