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光究竟是什么探秘光的本质-【新闻】

发布时间:2021-05-24 10:32:03 阅读: 来源:焊台厂家

光究竟是什么?探秘光的本质树林中透出的光线:光是我们体验这个世界的基础,人类的眼睛是光子探测器,我们借助可见光了解我们身边的世界

通电的导线周围会产生磁场,在这个磁场的作用下,铁屑发生定向排列  新浪科技讯 北京时间8月10日消息,光是我们体验这个世界的基础。我们在黑暗中摸索,直到迎来黎明而对于光本质的理解,我们也同样经历了同样痛苦的过程。

然而,光的确是一种非常难以理解的事物:如果你用一台放大镜将一束光不断放大,你会看到什么?当然光的运动速度是极快的,但究竟是什么东西在运动?面对这样的问题,我们中的大部分人都会觉得难以回答。

然而情况其实并没有那么糟糕,光的本质问题当然曾经在数百年里难倒了世界上伟大的一些物理学家,但在过去的150年间,科学界在对光的本质研究方面取得了一系列的突破性进展,向世人揭示了光的神秘本质。因此,到目前的阶段,我们已经多少知道了该如何回答这些问题。

今天的物理学家们不仅理解光的本质,甚至他们还正在尝试在越来越高的精度条件下控制光的行为,这就意味着在未来某,光或许将以一种崭新的面貌被人类所利用。这一广袤前景也正是联合国将2015年确定为国际光年(International Year of Light)的原因之一。

世界上第一张彩色照片,由麦克斯韦拍摄,时间是在1861年  光是一种辐射

有很多种方式可以解释光是什么这个问题,但这个解释或许是通俗的:光是一种辐射。

这种解释将有助于人们的理解。比如我们都知道,接受过多的日光照射容易引发皮肤癌。我们也知道暴露在辐射环境之中可能会引发某些种类癌症的发病风险,因此,将这两者联系在一起应该并不困难。但并非所有的辐射都是相同的。事实上,直到19世纪末,科学家们才终找出光辐射的真正本质。

不过,比较有趣的是,这些发现本身并非来自对光的研究,而是来自数十年来科学家们对于电和磁性现象的研究。电和磁看上去似乎是非常不同的两种事物。但在像奥斯特和法拉第这样的科学家的眼里,这两者是紧密关联的。奥斯特发现,放置在通电导线旁的指南针会发生偏转,而法拉第则发现,在磁场中运动的导线内部会产生电流。

当时的数学家们开始尝试基于这些观察创建一种理论来为这一被称作电磁(electromagnetism)新现象给出解释。但直到詹姆斯麦克斯韦的出现,才迎来有关这一问题的完整解决。

麦克斯韦是一位科学巨匠,他对科学作出的贡献是难以估量的。爱因斯坦同样是受到了麦克斯韦的启发,他曾表示,麦克斯韦永远地改变了这个世界。抛开他其他方面的成就不谈,麦克斯韦的计算帮助揭示了光的本质。

麦克斯韦的工作从理论上证明了,电和磁场的运动都具有波的性质,并且这种波的运动速度基本上是光速。通过这一结论,麦克斯韦进一步推断光本身可能也正是由电磁波所携带的这就意味着光是一种电磁辐射。到了1880年代,就在麦克斯韦离世之后不久,德国物理学家赫兹证明,麦克斯韦关于电磁波的理论概念是正确的。

1850年代,麦克斯韦曾在英国阿伯丁大学工作。而在今天,同样在该校工作的物理学家格雷汉姆豪尔(Graham Hall)指出:我确信,如果麦克斯韦和赫兹能够活到诺贝尔奖颁发的年代,他们两人将毫无疑问的分享一次诺贝尔奖。

事实上,麦克斯韦在光学领域的重要贡献还包括一些更为具体的原因,比如他在1861年拍摄了世界上第一张彩色照片。他拍摄这张照片使用的三色滤镜系统至今仍然是很多彩色照相技术的基础。

我们都被教育说,彩虹里有7种不同的颜色

然而我们眼睛能够看到的可见光实际上只不过是整个电磁波中非常狭窄的一小段区域

彩虹能让我们看到可见光波段中不同波长的色光  光的颜色

光是一种电磁辐射,这一概念本身或许并不意味着很多东西。但这一观点将帮助我们解释一种我们都已经知晓的现象:光是由不同的颜色组成的。

这项发现还要追溯到牛顿的时代。而在日常生活中,雨后的彩虹就是光的多色本质的天然展示而光的这些颜色便与麦克斯韦的电磁波理论直接相关。

位于彩虹一端的红色光对应的是波长在620~750nm之间的电磁波辐射;而紫色光对应的则是波长在380~450nm之间的电磁波辐射。但在这些具体可见的颜色之外,还存在着比这多得多的电磁辐射。波长比我们看到的红光更长的光被称作红外光,而波长比我们看到的紫色光更短的光则被称为紫外光。

德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家埃利弗舍瑞奥斯-古尔利马基斯(Eleftherios Goulielmakis)表示,很多动物能够看到紫外光,甚至有一部分人也可以。而在某些特定的情况下,人眼甚至能够察觉红外光。这可能也体现在了我们的语言习惯中:你会发现,在英语中我们将红外光(infrared light)和紫外光(ultraviolet light)称为光(light),但对于那些波长比红外光更长,或是比紫外光更短的电磁波,我们就不再将它们以光来命名了。比如波长比紫外光更短的是X射线(X-ray)和伽马射线(gamma ray)。古尔利马基斯举例说:一位医生会说,我要用X-ray(X射线)照射目标,他不会说我要用X-ray light(X射线光)。但相比之下,在中文语境中这种倾向似乎并不明显,比如我们会很自然的说红外线,紫外线,还有去医院拍X光。

在另一端,电磁波的波长也可以远远超出红外波段,其波长达到1厘米甚至是数千公里。这样的电磁波拥有一些我们非常熟悉的名字:微波和无线电波。当然,对于普通的民众来说,他们收听广播电台的无线电波竟然和光本质上是同一类东西,这一事实会让他们觉得难以理解。

古尔利马基斯表示:从物理学的角度来看,无线电波和可见光之间并没有什么区别。描述它们的方程式和数学方式是完全一样的。事实上,正是因为我们的日常语言中给予了它们不同的名字,才造成似乎两者是有差异的这种错觉。

牛顿注意到,光在镜面间遵循严格的入射和反射路径,他意识到这是粒子流的特点

光的双缝实验以及得到的明暗干涉条纹。这一实验证明光具有波的性质  这样,我们对于光就有了另外一种定义它是电磁波中非常窄的一个波段范围,也就是我们人眼能够感知到的电磁波波段范围。换句话说,我们所谓的光其实是一个非常主观的概念:只有我们看得到的电磁波才是光,我们看不到的就不是。而要想知道我们对于光的概念是多么主观,让我们再次回到彩虹的话题,

我们中的大多数人都知道彩虹有7种主要颜色,即所谓赤橙黄绿青蓝紫,在不同文化中,我们都创造出一些小口诀甚至歌曲来帮助我们记住这些颜色。当你观察清晰呈现的彩虹,你或许会让自己确信,的确存在这样的七种不同颜色。然而,当年的牛顿却发现自己难以看到全部这7种颜色。

事实上,研究人员现在倾向于认为,之所以牛顿将光线分成了7种不同的颜色,仅仅是因为7这个数字在西方文化中占有特殊地位,如七声音阶,以及一周内的天数。而麦克斯韦的工作则带领我们完全超越了这一高度,证明了可见光只是更宽广尺度上电磁波的一部分。这基本上可以说是终解答了光的本质问题。

通过狭缝之后,原本平行的光线变成类似水波的形态  是粒子还是波?

但在另一个方面,科学家们数百年来也一直致力于想要弄清楚,从基础的层面上,光究竟是以何种方式存在并传播的?

一部分科学家认为光的形式有点类似波或水里的波纹,它可能是借助空气或是另一种难以捉摸的神秘物质以太来进行传播的。但另外一些科学家则认为这种看法是错误的,他们指出,光应当是一束粒子流。

牛顿更倾向于第二种理论,即光的粒子说,尤其是在他使用光和镜子进行了一系列的相关实验之后,牛顿更加坚信光是粒子流的理论正确性。

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