上一篇文章和大家一起探討了一下切原子的問題，今天來和大家聊一下光是什么。

先做一個開篇提問：用一支激光筆射向夜空中，當你關閉開關的瞬間，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎？（文末解答）

光的本質(zhì)是什么？

為什么同樣一束光可以穿過玻璃，卻不能穿過我們的身體或者墻壁，光在穿過玻璃而過的過程中，玻璃里發(fā)生了什么？鏡子為什么可以反射光？光子沒有質(zhì)量，為什么光會產(chǎn)生光壓？沒有質(zhì)量的光又為什么會被黑洞吸引？光照射在太陽能板上為什么會產(chǎn)生電流？

這一連串的為什么或許我們沒有去了解過，今天我們就來探究一下，光到底是什么？

光粒子說

1638年，法國數(shù)學家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。

并在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對于光的觀點。他認為光也是有大量堅硬粒子組成的。牛頓隨后對于伽森荻的這種觀點進行研究，他根據(jù)光的直線傳播規(guī)律，最終于1675年提出假設，認為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播。微粒說很容易解釋光的直進性，也很容易解釋光的反射，因為粒子與光滑平面發(fā)生碰撞的反射定律與光的反射定律相同。

光粒子說示意圖

光的反射現(xiàn)象

然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質(zhì)分界面處會同時發(fā)生反射和折射，以及幾束光交叉相遇后彼此毫不妨礙地繼續(xù)向前傳播等現(xiàn)象時，卻發(fā)生了很大困難。

同時折射與反射

互不干涉現(xiàn)象

不是粒子那是什么呢？

電場

帶電體周圍存在著一種特殊物質(zhì)，那就是電場。記住，它是一種物質(zhì)，是一種特定的存在，是用眼看不到的，但可以感覺得到的存在。不信的話，可以伸手試試！比如下圖的靜電場。我們用眼睛看不到，但是我們的頭發(fā)卻很“誠實”。

靜電場效果圖

19世紀30年代,英國科學家法拉第提出了“電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場”這一觀點，隨后物理學理論和實驗不僅證實了法拉第的這一觀點，而且證明了電場是一種客觀存在的物質(zhì)形式。電場是看不見、摸不著的，為了形象地描述電場中各點電場強度的大小和方向，法拉第還引入了電場線的概念。

對比一下上圖，我們的頭發(fā)是不是形象地詮釋了電場線的存在？

電場這種物質(zhì)不是由微觀粒子構成的，它既不是分子，也不是原子，但它確實是存在的，不但有大小，而且有方向。若把一個帶電的粒子放在它的周圍，帶電粒子就會受到力的作用，這個力就是電場力。

磁場

磁場是一個物理概念，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是由運動著的微小粒子構成的，在現(xiàn)有條件下看不見、摸不著。磁場具有粒子的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用在物理層面接觸就能發(fā)生作用。

磁鐵的磁力線

磁鐵為什么會產(chǎn)生磁場？簡單的說就是磁鐵這種物質(zhì)的每個四氧化三鐵分子所產(chǎn)生的分子電流在整體上是高度有序的，導致整塊磁鐵產(chǎn)生了磁性。

分子電流又稱“安培電流”。分子或原子中由電子運動所形成的電流?？捎靡哉f明物質(zhì)的磁性。

關于物質(zhì)磁性本質(zhì)的假說。由安培于1821年提出。他觀察到通電螺線管有像磁體一樣的作用，認為一切磁現(xiàn)象的根源是電流的存在。磁性物質(zhì)的分子中存在著回路電流，稱為分子電流，分子電流相當于基元磁體。物質(zhì)的磁性就決定于物質(zhì)中分子電流對外界的磁效應的總和。分子電流與導線中通過的宏觀電流是有本質(zhì)區(qū)別的，安培的假說把永磁體產(chǎn)生的磁場與宏觀電荷運動產(chǎn)生的磁場統(tǒng)一了起來。安培的假說與現(xiàn)代對物質(zhì)磁性的理解是相當符合的，所以仍被采用。根據(jù)安培假說，基元磁體兩個磁極對應于圓形電流的兩個面，顯然這兩個面是不能單獨存在的，由此很容易解釋磁體的N、S兩極不能單獨存在的原因。

電磁場與電磁波

我們知道了電場，也知道了磁場，這兩個東西在一起就創(chuàng)造了一個叫電磁場的東西。打個比方，電磁場就像一汪平靜的湖水，突然有人扔了一顆石頭進去，就形成了水波向遠方傳播開，你在湖東岸扔的石頭，最終水波會傳到湖的西岸。

電磁場的向外傳播就形成了電磁波。

電和磁能相互轉化，按中學物理教科書的說法，即是交變的電場能產(chǎn)生磁場，交變的磁場又能產(chǎn)生電場。讓我們想象一下，電場產(chǎn)生磁場，磁場產(chǎn)生電場，然后電場又產(chǎn)生磁場，無限循環(huán)下去，電場和磁場就會以波的形式向外傳播出去。

電磁波示意圖

電磁場包含電場與磁場兩個方面，分別用電場強度E（或電位移D）及磁通密度B（或磁場強度H）表示其特性。按照麥克斯韋的電磁場理論，這兩部分是緊密相依的。電磁波的傳播速度與光速相等。

電磁波是能量傳播形式的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。且溫度越高，放出的電磁波波長就越短。

光是電磁波的一種

寫到這里，我們揭秘光的其中一種比較主流的解釋，光屬于一種電磁波。只是我們?nèi)祟惗x頻率在380~750兆赫，波長在390nm - 780nm（納米）之的電磁波叫做可見光，而對于動物來說，它們眼中的光和我們大不同。

電磁波譜表-可見光波譜

比如動物中的北美馴鹿就是能看到紫外線的佼佼者。它們眼中的蘑菇可能是這個樣子的。

馴鹿每年都會遷徙，在遷徙過程中，他們依靠紫外線，分辨地衣，地衣是他們遷徙途中的主要食物。利用紫外線，他們還能分辨出食肉動物的尿液和白雪，因為尿液吸收紫外線，而白雪反射紫外線，這使得馴鹿可以避免偶遇食肉動物。

再比如蛇，它們能感知紅外線，并非通過眼睛，而是通過熱窩結構，然后在大腦中AI出獵物的紅外影像再與視網(wǎng)膜圖像疊加。

而對于短波收音機來說，它們“看到”的“光”是波長10~100米的電磁波。

而假設人類眼睛能看到4G發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，我們站在高處將會看到這樣的景象。

如果光是電磁波的一種，那么來解釋一下玻璃為什么是透明的？這個問題應該問成，玻璃這種材質(zhì)在可見光范圍內(nèi)看起來為什么是透明的？因為有些電磁波在穿過鋼化玻璃時信號會衰減得很厲害，那么對這些波段來說，玻璃就不是透明的，而是類似毛玻璃的效果。

鏡子的制造原理其實很簡單，就是在透明的玻璃表面鍍一層不透明的金屬膜（現(xiàn)代制鏡通常是鍍銀），使其表面能夠成像。那么，為什么玻璃透明而金屬不透明呢？

簡單來說，玻璃之所以透明是因為它無法吸收可見光，而金屬不透明是因為它吸收了可見光。這個道理聽起來很容易理解，那么，決定物質(zhì)能否吸收可見光的因素是什么呢？

可見光作為一種電磁波，本身是含有能量的，因此，物質(zhì)原子中的電子可以借助可見光的能量進行躍遷。不過躍遷能否成功，還要取決于這種物質(zhì)中電子的活躍度。比如金屬，金屬容易成為導體說明其中的電子比較容活躍，當可見光照射到金屬表面，其中所含的能量馬上被金屬中的電子吸收，光線能量迅速衰減，使得金屬看起來不透明。而玻璃是絕緣體，說明其中的電子不活躍，所以光波的能量不會被電子吸收。就從玻璃介質(zhì)中傳播過去了。

金屬都是以金屬鍵結合而成的金屬晶體,金屬原子以最緊密堆積狀態(tài)排列,金屬內(nèi)部有自由電子,它的運動范圍是整塊金屬,當白光照到金屬表面時,自由電子能吸收所有波長的光,隨即又反射出來,因此絕大多數(shù)金屬(除金呈黃色、銅呈赤紅、銫呈淺黃、鉍為淡紅、鉛為淡藍以外)都呈現(xiàn)銀白色光澤。

不過，金屬的這種不透明，是基于可見光的能量條件（不同波長的電磁波能量也不同）。如果改變這個條件，情況就會發(fā)生變化。

我們知道，可見光是電磁波中波長范圍在400～800nm的部分。除了可見光，電磁波中還有其他為我們所熟知的部分，比如微波爐所使用的微波，其波長范圍是1mm~1m；還有醫(yī)院用來檢查身體的X射線，其波長范圍是0.01～10nm。

在可見光狀態(tài)下，我們的身體是不透明的，我們不能透過皮膚和肌肉看清體內(nèi)的骨骼和器官；但是在X射線條件下，肌肉和骨骼吸收X射線的能力不同，我們可以通過X射線，清楚地看到骨骼和器官。

X光照片

因此，假設存在一種射線，連金屬中電子躍遷所需的最低能量都無法達到。那么，在這種射線條件下，金屬就是透明的。

或者我們也可以嘗試把金屬打磨到無限薄，薄到其中的電子含量可以忽略不計。在這種情況下，金屬吸收的能量非常有限，即便受到可見光的照射，看起來也有可能是透明的。

有透明的金屬嗎？

目前有一種材料，兼具透明和導電的特質(zhì)，常被應用于手機和平板電腦屏幕，這種材料就是ITO，即氧化銦錫。

氧化銦錫是一種半導體。半導體中的能帶不是連續(xù)的，能帶和能帶之間存在著能量差異。因此，與金屬中的電子相比，半導體中的電子需要吸收更多能量才能完成躍遷。

為了在高空防止風擋結霜，客機風擋上會涂抹一層氧化銦錫薄膜。氧化銦錫既能導電又透明。

氧化銦錫薄膜在可見光下出現(xiàn)干涉彩虹

光電效應

圖片是中國空間站上的太陽能帆板，是把光變成電的裝置。光電效應是物理學中一個重要而神奇的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電。

光電現(xiàn)象由德國物理學家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確解釋這一現(xiàn)象的人是愛因斯坦。科學家們在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這就導致光只是電磁波的說法受到了挑戰(zhàn)。

讓科學家絕望的光雙縫干涉實驗

光電效應里電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響。

光電效應說明了光具有粒子性。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射。到這里科學家只能認為光同時具有粒子性也同時具有波動性。稱為光的波粒二象性。

光的最新解釋-光量子說

光量子假說的主要觀點：光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少與波長相關, 波長越短, 能量越高。當一個光子被物體的分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。光子具有能量，也具有動量，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程，E=MC^2=HV, 由于光子無法靜止，所以它沒有靜態(tài)質(zhì)量，而具有相對論質(zhì)量。

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質(zhì)量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現(xiàn)出經(jīng)典波的折射、干涉、衍射等性質(zhì)；而光子的粒子性則表現(xiàn)為和物質(zhì)相互作用時不像經(jīng)典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發(fā)起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態(tài)，但單個光子沒有確定的動量或偏振態(tài)。

愛因斯坦解釋了光量子說

光沒有靜態(tài)質(zhì)量，但是有相對質(zhì)量，所以光可以產(chǎn)生光壓。太陽光帆飛船就是這個原理。

太陽光帆飛船

光沒有質(zhì)量為什么會被引力彎曲，甚至逃不出黑洞？因為光所傳播的場被引力彎曲了，所以光就跟著彎曲了，光好比在公路上奔馳的汽車，路如果轉彎了，車也一定會轉彎。

引力陷阱

梵觀點：今天寫的有點多，因為光到目前為止人們都沒有完全搞懂它的本質(zhì)。開篇的問題“用一支激光筆射向夜空中，當你關閉開關的瞬間，先前射出去的那束激光還會在宇宙中傳播嗎？”回答是：按光量子說，會存在的，并且一直在宇宙中傳播，直到被其他星體或者物質(zhì)吸收了。

比如我們現(xiàn)在的夜空，很多光線是從百億光年外傳到地球的，現(xiàn)在那個地方，那顆星星可能早已經(jīng)不在了，但是連續(xù)發(fā)出來的光還一直都在！