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为什么科学家都喜欢研究光的速度(光的本质到底是什么东西)

时间:2023-05-24 作者: 小编 阅读量: 3 栏目名: 农业百科

光的本质到底是什么东西每天睁开眼睛,就会有很多东西呈现在你的面前,你的房子,你的手机,你的爱人等等你看到这世界上的万物,得益于你的眼睛,更得益于这些多姿多彩、变幻莫测的——光光的本质引发势不两立的争端光是什么?看起来简单的。

每天睁开眼睛,就会有很多东西呈现在你的面前,你的房子,你的手机,你的爱人等等。你看到这世界上的万物,得益于你的眼睛,更得益于这些多姿多彩、变幻莫测的——光。

光的本质引发势不两立的争端

光是什么?看起来简单的问题,物理学家探讨了几百年,也是人类一直以来迫切解决的谜题。

​在对光本性的认识上,中国古代有两种典型的说法,一种认为光是由光源发出的某种特殊的气,另一种以17世纪科学家方以智为代表,认为光是气内部相互作用的传播,并由此发展出了一种原始的光波动学说。

国外的惠更斯在1690年发表的著作《光论》中,提出光的波动学说。14年之后,大物理学家牛顿偏偏在《光学》之中发表了一个相反的看法,他认为光是由粒子组成,提出光的微粒学说。

由于牛顿当时在物理学中的地位,大部分物理学家对他唯唯诺诺而同意这种看法。100年之后,著名的双缝干涉实验,托马斯·杨(人名)再次证明光是一种波。最后由一个电磁学巨擘麦克斯韦统一了电磁场理论,断定光是一种电磁波。并且在20年之后由赫兹的实验验证了电磁波。

这时牛顿已经去世100多年,人们便向波动说抛出橄榄枝。光的波动说似乎已经确定无疑。但是,向来如此,所有人都认为对的东西就一定对吗?

真理往往掌握在少数人手中

孟子曰:五百年必有王者兴,其间必有名世者。在科学界,两百年一般都会有一个大的变革。而彻底搞清楚光是什么的人,就是鼎鼎大名的爱因斯坦。他在光电效应的实验发现,光与实物微粒相互作用的过程中,粒子性非常突出。于是光的波粒二象性呼之欲出,在随后的双缝干涉实验中证实这种确定的猜想,在转移能量时会表现出粒子的性质,在传播的过程中体现出波动性。

这么说难免有点深奥难懂,大家可以把光理解成“运载能量的波动”,波动也就是某种振动。声音是空气漂浮的振动,海浪是水的振动,地震是大地动摇的。那么光是什么振动呢?光是光的本身在振动,专业的说就是电场和磁场的矢量在振动,光线传播也就是交替的光矢量和磁矢量传播。

我们所说的光一般都是指可见光,它是有颜色的,与能量紧密相关,赤橙黄绿蓝靛紫,能量依次升高。而电波,红外线,紫外线,x射线和可见光是一家人,属于电磁波。那么光到底是怎么产生的呢?

有人会问,如果晃动微观粒子会产生光吗?可以这么说,原子外的电子从高能级向较低能级跃迁时,多余的能量差就会以光子的形式释放。数不清的原子产生的无数个光子汇聚,就会产生光线,被人的视网膜捕捉,在大脑里面的视神经就会说:哦,这就是光。

“能量是能量,粒子是粒子”——二分法的局限性

近代理论表明,能量和质量不可分。说得更纯粹一点,所有东西都是能量!为什么有粒子,是能量场的叠加相互作用产生的表现形式。量子场论中,用场来解释物质如何相互作用,特别是如何获得质量。并且爱因斯坦的相对论早就给出了质能方程,暗示了能量和质量的相互转化。

我们能摸到钞票,不是说钞票作为一种物质很特殊,仅仅只是因为我们和它之间有相互作用,这种相互作用被你的经验确认为“摩擦力”,但其实其本质和我们“看到钞票”这个相互作用没有区别:看到钞票是是因为光的反射也就是电磁相互作用,摩擦力也是电磁相互作用!所以触觉和视觉的物理本质其实是一样的。

“直着走路”的光也会拐弯?

有趣的是,光虽然在均匀介质中总是沿直线传播,但是会被引力所扭曲。这又是为什么?

这就要牵涉到广义相对论了。简单来说,“引力”是一种时空弯曲效应,只是因为时空“变弯”了,所以在其中的物质只能顺着时空走,“光”也是物质,不得不亦步亦趋。爱因斯坦的场方程也早就说明了:决定时空如何弯曲的因素是这个时空内的质量和能量分布,而能量和质量处于等价的地位。

结语

我们以光为知觉,电子使光线跳舞,光线又会电子起舞。光线是电子所处的微观世界给我们的信号,我们所经历的几乎所有的现象都是微观世界光和电子的舞蹈。这么想来对光的尊敬不禁又加大了!

“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用来寻找光明。”我是理说万物,你的私人科普顾问,每日更新科学知识,注重科学中的人文和精神关怀,让“人”的意义凸显,寻找生命意义。喜欢就来关注我哦,在这个魔幻而又现实的世界里,一起加油吧!


参考资料:1.中国古代对光的性质的认识,关增建

2.知乎作者:PhysicsSoldier

3.量子力学,孙宏伟

4.光到底是什么,B站:KAOS溏心科学

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