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光究竟是什么?科学家关于光本质的百年探索

导读: 光的本质问题当然曾经在数百年里难倒了世界上最伟大的一些物理学家,但在过去的150年间,科学界在对光的本质研究方面取得了一系列的突破性进展,向世人揭示了光的神秘本质。

树林中透出的光线:光是我们体验这个世界的基础,人类的眼睛是光子探测器,我们借助可见光了解我们身边的世界

  光是我们体验这个世界的基础。我们在黑暗中摸索,直到迎来黎明——而对于光本质的理解,我们也同样经历了同样痛苦的过程。

通电的导线周围会产生磁场,在这个磁场的作用下,铁屑发生定向排列

  然而,光的确是一种非常难以理解的事物:如果你用一台放大镜将一束光不断放大,你会看到什么?当然光的运动速度是极快的,但究竟是什么东西在运动?面对这样的问题,我们中的大部分人都会觉得难以回答。

  然而情况其实并没有那么糟糕,光的本质问题当然曾经在数百年里难倒了世界上最伟大的一些物理学家,但在过去的150年间,科学界在对光的本质研究方面取得了一系列的突破性进展,向世人揭示了光的神秘本质。因此,到目前的阶段,我们已经多少知道了该如何回答这些问题。

  今天的物理学家们不仅理解光的本质,甚至他们还正在尝试在越来越高的精度条件下控制光的行为,这就意味着在未来某一天,光或许将以一种崭新的面貌被人类所利用。这一广袤前景也正是联合国将2015年确定为“国际光年”(International Year of Light)的原因之一。

  世界上第一张彩色照片,由麦克斯韦拍摄,时间是在1861年

  光是一种辐射

  有很多种方式可以解释光是什么这个问题,但这个解释或许是最通俗的:光是一种辐射。

  这种解释将有助于人们的理解。比如我们都知道,接受过多的日光照射容易引发皮肤癌。我们也知道暴露在辐射环境之中可能会引发某些种类癌症的发病风险,因此,将这两者联系在一起应该并不困难。但并非所有的辐射都是相同的。事实上,直到19世纪末,科学家们才最终找出光辐射的真正本质。

  不过,比较有趣的是,这些发现本身并非来自对光的研究,而是来自数十年来科学家们对于电和磁性现象的研究。电和磁看上去似乎是非常不同的两种事物。但在像奥斯特和法拉第这样的科学家的眼里,这两者是紧密关联的。奥斯特发现,放置在通电导线旁的指南针会发生偏转,而法拉第则发现,在磁场中运动的导线内部会产生电流。

  当时的数学家们开始尝试基于这些观察创建一种理论来为这一被称作“电磁”(electromagnetism)新现象给出解释。但直到詹姆斯·麦克斯韦的出现,才迎来有关这一问题的完整解决。

  麦克斯韦是一位科学巨匠,他对科学作出的贡献是难以估量的。爱因斯坦同样是受到了麦克斯韦的启发,他曾表示,麦克斯韦永远地改变了这个世界。抛开他其他方面的成就不谈,麦克斯韦的计算帮助揭示了光的本质。

  麦克斯韦的工作首次从理论上证明了,电和磁场的运动都具有波的性质,并且这种波的运动速度基本上是光速。通过这一结论,麦克斯韦进一步推断光本身可能也正是由电磁波所携带的——这就意味着光是一种电磁辐射。到了1880年代,就在麦克斯韦离世之后不久,德国物理学家赫兹首次证明,麦克斯韦关于电磁波的理论概念是正确的。

  1850年代,麦克斯韦曾在英国阿伯丁大学工作。而在今天,同样在该校工作的物理学家格雷汉姆·豪尔(Graham Hall)指出:“我确信,如果麦克斯韦和赫兹能够活到诺贝尔奖颁发的年代,他们两人将毫无疑问的分享一次诺贝尔奖。”

  事实上,麦克斯韦在光学领域的重要贡献还包括一些更为具体的原因,比如他在1861年拍摄了世界上第一张彩色照片。他拍摄这张照片使用的三色滤镜系统至今仍然是很多彩色照相技术的基础。

  我们都被教育说,彩虹里有7种不同的颜色

  然而我们眼睛能够看到的可见光实际上只不过是整个电磁波中非常狭窄的一小段区域

  彩虹能让我们看到可见光波段中不同波长的色光

  光的颜色

  光是一种电磁辐射,这一概念本身或许并不意味着很多东西。但这一观点将帮助我们解释一种我们都已经知晓的现象:光是由不同的颜色组成的。

  这项发现还要追溯到牛顿的时代。而在日常生活中,雨后的彩虹就是光的多色本质的天然展示——而光的这些颜色便与麦克斯韦的电磁波理论直接相关。

  位于彩虹一端的红色光对应的是波长在620~750nm之间的电磁波辐射;而紫色光对应的则是波长在380~450nm之间的电磁波辐射。但在这些具体可见的颜色之外,还存在着比这多得多的电磁辐射。波长比我们看到的红光更长的光被称作红外光,而波长比我们看到的紫色光更短的光则被称为紫外光。

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