光對你來說意味著什麼？
十三章：光的本質和光的傳播
通過上面的很多章節，我們分析了光的諸多實驗內容。包括光的反射，折射，色散，干涉，衍射，光電效應及邁克爾遜莫雷實驗。這一章我們將對光知識有一個整體的總結和發散思考。
沒有光，人類的世界的不可想像。但我們要理解光，追上光，似乎真的很難。從人類誕生到今天，光學研究依然很熱門，就足以說明這一點。甚至有的人說光是「承上啟下」的東西，連接宏觀世界和量子世界，誰如果吃透了光的本質，本性，就會對這個世界有深的認識。
作為一個普通人，你認為光是咋樣的？光對你來說意味著什麼？今天我們一起來走進光的世界，去揭開它最神奇的面紗。
首先大家要知道的是「光」是一個特殊的詞，為什麼這樣說呢？因為光的本質是電磁波，這是我們知道的。麥克斯韋是一個做出光是電磁波預言的人，赫茲是第一個用實驗證實的人。
所以我們通常所說的光，光源，是我們可以看見的電磁波。電磁波之可見光譜範圍大約為390～760nm，這只是整個電磁波譜中範圍極小的一部分，所以它是特殊的。
其他光譜範圍是人類看不見的電磁波，有紫外線，紅外線，x射線，伽馬射線等等。
所以重要的事情再強調一遍——光是一種電磁波！ 那麼我現在來問大家一個問題。
光具有的折射，反射，干涉以及有光電效應的現象，對於x射線，伽馬射線，紫外射線等也有嗎？？
各位答案是確定無疑的，光具有的一切性質，其他名稱的電磁波也具有。只是我們人眼睛看不到而已，能藉助其他儀器來觀測。
但不同光譜範圍的電磁波，會有不同的差異。比如x射線，伽馬射線有很強的穿透性，對人體有危害。
但在這裡要強調，這種差異主要是對人類來說的。因為一塊石頭，任何一種電磁波都是一樣的。它看不見任何光譜範圍的電磁波，對於它來說也不存在「傷害」這個詞。
光是一種電磁波，會引出另一個問題——電磁波的本質是什麼？ 只有了解電磁波的本質，才算是了解了光的本質。這個觀點，大家都會認同。
電磁波是電磁場的一種運動形態。電與磁可說是一體兩面，變化的電場會產生磁場（即電流會產生磁場），變化的磁場則會產生電場。變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風輕拂水面產生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。
電磁波的官方定義如下：電磁波是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生髮射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直於電場。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。
所以電磁波本質是電磁場輻射。那麼根據輻射學說，絕對零度不可達到，就說明萬物皆有輻射。向外輻射能量，這種輻射就是電磁輻射。
所以用另一句通俗的話說電磁波是一種能量，光自然也是一種能量。這樣我們就把光的一般性認識推廣到所有物質中來了，任何物質都是能量。
這時候大家會想起愛氏的一個質能公式：E=MC^2。
這個公式中竟然出現了光？光速的平方！這是偶然嗎？顯然我不會這麼想。
推導到這裡，我們再來總結一下，光是一種電磁波，電磁波是一種能量輻射。即光是一種能量。
質能公式是普遍的，是宇宙範圍內適用的公式，光出現在這個公式中，本身就代表了它是衡量宇宙物質能量的一個不可或缺「因子」。
無論你是初中生，還是科研工作者，如果你從來沒有這樣思考過的話，現在就可以好好思考一下這個問題了。
我在此書的第一章就強調過「世界是確定的，但世界的確定性我們無法把握。」這句話的深層含義就包括了，任何聯繫的偶然性，都是確定的。所以光出現在這個公式中，就不是偶然。
同樣正是本著這樣的思維指導，我在《變化》中大膽的對於慣性做了新的定義。也就是說慣性質量和引力質量嚴格相等的事實，在我看來絕非偶然，所以我推出引力是慣性的源泉觀點。對這個問題，進行了闡述。
同樣宇宙間的眾多的反比平方定律，在我的眼中也非偶然，值得去探究。如果你把所有這一個個相似，看成偶然，我們必然會失去走近真相的機會。
無獨有偶，愛氏場方程是中也出現了光。牛頓力學是愛因斯坦的狹義相對論在低速條件下的極限，包括萬有引力定律。所以萬有引力公式中其實是暗藏「光」的因素。
想到低速，你立刻就要想到「速度」這個詞。但想到速度，你又會想到光速！對了，就是這樣的。對於速度所帶來的衝擊，對於我們人類來說，至今新鮮。新的時空觀，新的宇宙觀，好像什麼都是新的。
我們這一章是對光的總結行和啟發性認識，所以我們必須緊緊圍繞光來說。
那麼現在說說光的運動，關於光的運動，前面的幾個章節的鋪墊，已經是現代實驗所取得的成果。
首先我們普通人的第一印象是光沿著直線傳播，其次光速很快，是最快的。
一個涉及運動方向，一個涉及運動速度，現在對這兩個點我們進行分析認識。
更嚴謹的認識應該是這樣的。光在真空中沿直線傳播，也可以表述為光在同一種均勻介質中沿直線傳播。【但最嚴格的真空和均勻介質是不存在的。】
在現實世界中，光大多時候不是沿著直線傳播的。光在介質中傳播時，由於光受到介質的相互作用，其傳播路徑遇到光滑的物體會發生偏折，產生反射與折射的現象。還有在不同條件下出現干涉，衍射等現象。另外，根據廣義相對論，光在大質量物體附近傳播時，由於受到該物體強引力場的影響，光的傳播路徑也會發生相應的偏折。
那麼我現在又要問題了？那麼我們說光沿著直線傳播正確嗎？或者說我們看到的光是直線的對嗎？
答案是對的。光在同一種均勻介質中沿直線傳播。就以上圖為例白色光在進入三稜鏡之前，算是在同一種介質中，所以是直線傳播。進入三稜鏡後，在三稜鏡中也算同一種介質中【只不過是被折射了】，在出三稜鏡界後，又是在同一介質中，所以沿著直線傳播。
這個問題還可以轉化為，光沿著直線傳播，可是彩虹為什麼是圓弧狀的？？大概就是上面的原因，但情況比較複雜。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠，經過折射反射折射……後射向我們的眼睛所形成。
我們問題永遠不會是最後的一個！ 接下來我再問你們一個問題：「既然光線是沿著直線傳播的，為什麼又說它是一種波。還有波峰，波谷？」
專業人士不要笑，確實有很多朋友，有這樣的疑惑。所以我才寫出來。既然是科普，就要講出大家的疑惑。
答案確實不難，就像上面的圖所示。我們說光是沿著直線傳播的，可是沒有人告訴你光是直線！大家要記住光沿著直線傳播，但光不是直線！光是有波峰，波谷，和頻率的，所以是有「波」的性質。
至於我們眼睛看到了光是直線，那是眼睛在欺騙我們。
如果你讀了我關於光學知識的前幾章鋪墊，就應該很清楚的知道，剛開始光的微粒說是佔主導地位的，這裡面牛頓的權威影響很大。後來有了干涉和衍射現象的實驗和解釋，才打破微粒說，波動說開始被重視。再後來，愛氏關於光電效應的解釋，引出光的波粒二象性。
TAG:艾小稀 |