光是什么？

原创 M. D. Baecke 中科院物理所 2021-12-07 14:20

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对光的研究起源于古希腊，在那里，哲学家们开始思考视觉是如何工作的。柏拉图和毕达哥拉斯等思想家认为，我们的眼睛会发出微弱的光线进行探测。这些光线将收集我们周围物体的信息，并以某种方式将这些信息带回给我们。

大约一千年后，阿拉伯数学家阿尔哈曾（Alhazen）通过提出一个简单的问题证明了这些哲学家的错误：如果我们的眼睛能发光，为什么我们在黑暗中看不见任何东西？

阿尔哈曾提出了自己的视觉理论。他认为，我们的眼睛不会创造光线而是捕捉光线。根据他的说法，我们看见物体的图像，来自于从物体身上反射到我们的眼睛里的太阳光线。

阿尔哈曾的理论是对的，我们身边的物体都会反射光线。

这个理论同样可以解释为什么我们可以看到不同的颜色。当我们将光线照射到玻璃棱镜上时可以看到，白光包含各种颜色的光。

例如，当白光照射到一个红苹果上，这个苹果会吸收除红光外的所有光。这样，红光就可以被反射到我们眼中并让我们看到这个苹果。

我仍然没有解释光到底是什么。让我们先看一看维基百科给出的光的定义：

光或可见光是可被人眼感知的电磁辐射。

电磁频谱

所有的电磁辐射的频谱被称为电磁频谱。可见光是波长大约在380-700纳米之间的电磁波。

电磁辐射是空间中以光速传播的电和磁的振动。电磁波和机械波（声波、湖面的水波等等）之间最大的区别是电磁波的传播不需要介质（比如水或空气）。

我们来考察一下声波这种机械波：

我们可以看到一根杆在空气中往复运动。相应的，空气粒子（黑点）也开始运动。它们之所以这样运动，完全是由于压力的作用。

粒子密度越大，压强就越大；粒子密度越低，压强就越小。粒子总是从高压区域移动到低压区域。可以想象一个气球：对于吹饱的气球，气球内部的压强高于气球外部的压强（相同空间量下的空气粒子数）。当你松开气球的末端时，空气粒子将被推出气球，气球将会收缩。这表明空气颗粒从高压区域移动到低压区域。

如果仔细观察移动的粒子，您可能会注意到每个粒子都在两个依次出现高压的区域之间来回移动。正是这种运动产生了波动。粒子本身不会从运动的杆那里移动到人的耳朵，但杆的能量可以。机械波只传输能量，不传输质量。这些波需要介质中的粒子来传输能量，然后这些粒子再把能量传递给其他粒子。机械波的另一个形象的例子是倒下的多米诺骨牌。

正如前面提到的，电磁波的传播不需要介质，它们可以在真空中传播。

电磁波

电和磁是相辅相成的。甚至有一整个物理学的学科来专门研究它们之间的关系，那就是电磁学。

任意移动的电荷都会产生磁场。例如，当电流在直导线中运动，导线周围就会形成一个电磁场。

如果想增强磁场的强度，那么你可以把导线绕成线圈。这正是电磁铁的基本工作方式。

变化的磁场同样可以产生电场，进一步可以产生电流。

电流只有在磁铁运动（磁场变化）的时候才会产生。

既然知道了电和磁之间的基本关系，我们就可以重新思考电磁波了。

创造电磁波 | 加速电子

一个加速的带电粒子（如一个电子）会产生一个电场，它的运动也可以产生一个磁场。这个磁场会进一步产生另一个电场，电场又会产生新的磁场，电场和磁场就会这样彼此激发下去。结果就是在空间中产生一个高速传播的电磁波。

思绪有点跟不上了？别担心，我们来看一看接下来的解释：

加速电子可以通过在电线（天线）的中心放置交流发电机来实现，这可以在导线中产生交变电流。前面我提到过，电荷的任何运动都会产生磁场。因为我们的电线中有电荷运动，所以电线周围会形成磁场，磁场周围会形成另一个电场，周围的电场将再形成另一个磁场。于是产生了一个自发的、随时间变化的电场和磁场互相激发的过程，电场和磁场会传播到距离天线越来越远的地方。这样我们就产生了电磁波。

电场和磁场之间总是相互垂直的。

上面的图只表现出电场线或磁场线中的一条。真实的电磁波可以用下图表示。矢量 E 代表电场，矢量 B 代表磁场。

现实中，从天线出发的电磁波会向各个方向传播。

通过控制电流在天线内改变方向的速度，我们可以控制电磁波的频率。频率越高，波的压缩程度越高（波长越小）。波的频率不影响波本身的传播速度。传播速度始终等于光速。

创造电磁波 | 激发电子

使用天线并不是产生电磁波的唯一方法。电子从原子中的高能量状态跃迁到低能量状态同样可以发出电磁波。可以看到，在原子内部，电子围绕原子核运行。电子离中心越远，其能级越高。

我们可以通过多种方式来向原子注入能量使电子远离原子核。但是，这种状态是不稳定的，被激发的电子将不可避免地回到其初始的能量状态。剩余的能量（发射能量）随后以光子的形式释放。根据电子释放能量的大小，光子也会携带或多或少的能量。

但，什么是光子？光子是一种没有静质量的粒子，它代表光最小离散的能量。当一个粒子的质量足够小时，它就会表现出像波一样的特性。光子没有静质量，所以它表现得像波一样。但是，之前我们都说光是由电磁波构成的，现在为什么突然把它看成粒子了？

为了更好地理解这一点，我们必须回顾一下持续了几个世纪的关于光是波还是粒子流的争论。

是波还是粒子？

17世纪，艾萨克·牛顿进一步发展了微粒理论。在这个理论中，光是由微小光粒子组成的。这些粒子以光速进行直线运动。他可以利用这个理论来解释光的反射和折射。但是，微粒理论不能解释光其他所有的性质。例如，光会产生干涉图样。当两个（或更多）波相互干涉时，这些图样就会产生。粒子流不能形成干涉图样，只有波的干涉可以产生。此外，不同波长的波可以解释为什么可以看到各种不同的颜色，这是为什么光应该是波而不是粒子流的另一个原因。基于一些类似的实验，荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯的波动论被广泛接受；在19世纪，詹姆斯·麦克斯韦甚至可以证明光是一种以光速在空间中传播的电磁波。

但是，到了20世纪，像爱因斯坦等科学家做了一些新的实验。这些实验似乎表明光实际上是由粒子流组成的。他们做的最重要的实验与光电效应有关：当我们将光线照射到金属上时，就会产生光电效应，电子会从金属表面发射出来。

这些实验之所以特别，是因为当你增强入射光的光强，发射出的单个电子的能量不变。光强只会改变发射出来的电子数。光强越强，发射的电子越多。如果光是波的话不可能发生这种情况。因为，当波照射到电子上后，电子会从光波中吸收能量，同时抵消掉这部分光。这意味着增加光强可以增加每个发射电子的动能。

这个实验的结果让科学家感到很困惑。为了更好地了解发生了什么，他们保持入射光光强不变，但改变光的频率（不同的颜色）。结果表明，频率越高，发射电子的动能越高。

多亏了这些实验，使得爱因斯坦能够解释到底发生了什么。他说，光不仅仅是一种波，它由被称为光子的离散波包组成。当光子有足够的能量时，它可以让电子从金属中溢出。光强越大，越多的光子射向金属表面，因此从金属中发射的电子也就越多。光的频率越高，每个光子的能量越高，导致发射的电子具有更高的动能。

最后的思考

总之，光既是一种波，同时也是一种粒子流。在量子力学中，这被称为波粒二象性。阿尔伯特·爱因斯坦在解释完光电效应后写道：

我们好像有时必须使用一种理论，有时必须使用另一种理论，而有时我们可以使用其中任意一种。我们面临着一种新的困境。我们对现实有两种相互矛盾的看法；它们各自都不能完全解释光的现象，但把它们结合在一起，就可以解释光是什么了。

——爱因斯坦

作者：Maarten De Baecke

图片来源见原文

翻译：Nothing

审校：zhenni

原文链接：https://www.cantorsparadise.com/but-what-is-light-7bd0c3309ffa

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