關於光，你可能不知道的八件事

Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Kimberly Boustead

光遠不止我們看到的那樣簡單。關於光子，這兒有八件你可能不知道的事。

撰文 Matthew R. Francis

插圖 Sandbox Studio, Chicago with Kimberly Boustead

翻譯 金庄維

審校 寒冬

光無處不在，但你對飛馳而過的光子有多少了解呢？

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1、光子可以在水或空氣中產生像音爆（sonic boom）一樣的衝擊波。

在真空中，沒有什麼比光跑得更快。然而，在空氣、水、玻璃和其他材料中，光會慢下來，因為光子和介質中的原子發生了相互作用。這會產生一些有趣的結果。

來自太空的能量最高的伽馬射線撞擊地球大氣時，會比空氣中的光速更快。這些光子會在空氣中產生像音爆一樣的衝擊波，只不過會製造更多的光子而不是聲音。一些天文台（比如亞里桑那的VERITAS）就在尋找這些次級光子，即切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）。在核反應堆里，核燃料周圍的水中也會出現切倫科夫光。

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2、大部分光都對人眼不可見。

「顏色」是我們大腦對光線波長的一種「翻譯」。波長是指光在其波形出現重複前跑過的距離。但是我們看到的有色光（也就是可見光），僅僅是完整的電磁波譜中的一小部分。

紅光是波長最長的可見光，如果把它的光波繼續拉長，就會得到紅外線、微波（包括做飯用的微波）和無線電波。比紫光更短的波包括紫外線、X射線和伽馬射線。波長也可以用來描述能量：無線電波的長波長擁有的能量低，而波長短的伽馬射線能量最高。這也是伽馬射線對於活體組織十分危險的一大原因。

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3、科學家可以對單個光子進行測量。

光由一種名叫「光子」的粒子組成，光子是攜帶一定電磁場能量的小包。如果實驗足夠靈敏，研究人員可以對光子進行計數，甚至對單個光子進行測量。研究人員甚至曾暫時把光凍結。

但是，不要把光子想像成撞球。它們也有波一樣的性質，可以互相干涉產生明暗條紋。光子模型是量子物理最早的成就之一；而後來的工作顯示，電子和其他物質粒子也具有波動性。

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4、粒子加速器中產生的光子可用於化學和生物研究。

可見光的波長比原子和分子的尺度大，所以我們實際上看不到物質的組成成分。然而，短波長的X射線和紫外線卻適用於展示小尺度的結構。科學家使用觀察高能光線的方法（如，原子吸收光譜分析）窺探原子世界。

利用磁場加速電子，粒子加速器可以產生特定波長的光子，這種光子叫做同步輻射（synchrotron radiation）。研究人員利用粒子加速器製造X射線和紫外線，然後將這些光用於研究分子和病毒的結構，甚至可以對化學反應進行錄像。

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5、光是電磁力——自然界四種基本作用力之一——的表現形式。

光子身上帶有電磁力，而電磁力是四種基本作用力之一，其他三種分別是弱力、強力和引力。當電子穿過空間時，由於電性吸引或排斥，其他的帶電粒子能夠感應到它。因為這一效應受到光速的限制，其他粒子實際上是對電子過去的位置而非真實的位置作出反應。量子物理解釋這一現象時，把真空描述成充滿虛粒子的一鍋沸騰的湯，穿過的電子踢了虛光子一下，虛光子就以光速前進並撞擊其他粒子，交換能量與動量。

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6、光子容易產生，也容易消滅。

不像一般的物質，所有東西都能夠產生或消滅光子。假如你在電腦上看這篇文章，屏幕的背光正在產生向你眼睛飛來的光子，它們到達後便被吸收，也就被消滅了。

電子的運動能夠產生或者消滅光子，這也是大量光線產生和吸收的原因。電子在強磁場中的加速運動會產生光子。

類似地，當一個合適波長的光子撞擊一個原子時，它會消失，並且將自己所有的能量都用於把原子核外圍的電子踢到新的能級上。而當這個電子落回原來的位置時，一個新的光子便產生並被釋放出來。光子的吸收和發射使得每一種原子或分子具有獨一無二的光譜，這是化學家、物理學家和天文學家用來辨別化學物質的主要方式。

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7、當物質和反物質湮滅時，光是這一過程的副產品。

一個電子和一個正電子擁有同樣的質量，但是它們的量子性質（比如電荷）是相反的。當它們相遇時，電荷相互抵消，電子的質量被轉換成能量，並以一對伽馬射線光子的形式釋放。

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8、光子碰撞可以產生粒子。

光子的反粒子是它們自己。而有趣的一點是：支配光子的物理定律是關於時間對稱的。這意味著，如果我們可以通過電子和正電子的碰撞來得到兩個伽馬射線光子，我們也應該能夠通過兩個能量合適的光子的碰撞來得到一個電子-正電子對。

實際上這麼做很困難：成功的實驗一般會涉及其他的粒子，而不只是光子。然而在大型強子對撞機（LHC）裡面，質子碰撞過程中產生的光子的絕對數量說明它們中的一部分有時候會相互碰撞。

一些物理學家正在考慮建造一個光子-光子對撞機，通過將光子束髮射入一個充滿其他光子的腔體來研究碰撞產生的粒子。

http://www.symmetrymagazine.org/article/eight-things-you-might-not-know-about-light

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