原理

我们每天沐浴在金色阳光的温暖中，用白炽灯和荧光灯来驱除黑暗。

但光到底是什么？当阳光穿过布满灰尘的房间时，当暴风雨过后彩虹出现时，或者当一杯水中的吸管看起来弯曲时，我们瞥见了它的本质。

然而，这些一瞥只会引出更多的问题。

光是以波、射线还是粒子流的形式传播？是单色还是多种颜色混合在一起？光有哪些共同的特性，如吸收、反射、折射和衍射？宇宙中第一缕光从哪里来（即光的起源）？图：作为居住在阳光灿烂的地球的公民，很难忽视阳光的存在。

在这篇文章中，我们向光致敬，因为一个无光的世界将是一个阴郁的地方。

你可能认为科学家们知道所有的答案，但是光仍然让他们感到惊讶。

举个例子：我们总是想当然地认为光的传播速度比宇宙中任何东西都快。

然后，在1999年，哈佛大学的研究人员通过一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的物质状态，将光束的速度降低到每小时每小时61公里。

正常光速度是该速度的1800万倍！就在几年前，没人会想到会有这样的壮举。

然而，当你认为你已经弄明白了光原理时，它却无视你的努力，似乎又改变了它的性质。

不过，对光的理解，我们已经取得了很大进展。

科学史上，世界上一些智者用他们的聪明才智全心身投入到光的研究。

阿尔伯特·爱因斯坦试图想象“骑”在光束上会是什么样子。

”如果有人追着一道亮光跑呢？”他问自己，“如果一个人跑得足够快，与光一样快时，时间会不会静止？”不过，爱因斯坦对光的研究已经走在了最前面。

要了解光的工作原理，我们必须把它放在适当的历史背景中。

我们的第一站是古代世界，在那里，一些最早的科学家和哲学家思考了这种神秘物质的真实本质，这种物质能刺激视觉，使事物可见。

光是什么？几个世纪以来，我们对光的看法发生了巨大的变化。

关于光的第一个真正的理论来自古希腊人。

其中许多理论试图将光描述为光线——一条从一点移动到另一点的直线。

毕达哥拉斯以直角三角形定理而闻名，他提出视觉是由人的眼睛发出的光线照射物体而产生的。

伊壁鸠鲁的观点正好相反：物体产生光线，然后光线传播到眼睛。

其他希腊哲学家——最著名的是欧几里德和托勒密，非常成功地使用射线图来显示光是如何从一个光滑的表面反弹，或在从一个透明介质到另一个透明介质时发生折射弯曲。

阿拉伯学者将这些思想进一步锤炼，发展了现在所称的几何光学——将几何方法应用于透镜、镜子和棱镜的光学。

最著名的几何光学实践者是伊本·海瑟姆（ibn al-haytham），他在公元965年到1039年间生活在当今的伊拉克。

伊本·海瑟姆（ibn al-haytham）识别了人眼的光学成分，并正确地描述了视觉是光线从物体反射到人的眼睛一个过程。

这位阿拉伯科学家还发明了针孔照相机，发现了折射定律，并研究了一些基于光的现象，如彩虹和日食。

到了17世纪，一些著名的欧洲科学家开始对光有不同的看法。

一个关键人物是荷兰数学家-天文学家克里斯蒂亚安·惠更斯。

1690年，惠更斯出版了他的《光论》，他在其中描述了对光的理解。

在这个理论中，他推测了某种无形的媒介——以太——的存在填补了物体之间的所有空白空间。

他进一步推测，当发光体在以太中引起一系列波或振动时，光就形成了。

然后，这些波向前推进，直到遇到物体。

如果那个物体是眼睛，波浪会刺激视觉。

这是最早，最雄辩的光波理论之一。

不是每个人都接受它，艾萨克·牛顿就是其中之一。

在1704年，牛顿提出了一个不同的方案——一种将光描述为物质或粒子。

毕竟，光以直线传播，从镜子上反弹，就像球从墙上弹下来一样。

没有人真正看到过光粒子，但即使是现在，也不是那么容易解释为什么会这样。

这些粒子太小，或移动太快，无法用眼睛看见这些单个粒子。

事实证明，所有这些理论既正确又错误，这些理论对于描述光的某些行为都很有用。

光线将光线想象成光线，可以非常精确地描述三种众所周知的现象：反射、折射和散射。

让我们花点时间讨论一下。

在反射中，光线照射到光滑的表面（如镜子）并反弹。

反射光线总是以与入射光线击中表面的角度相等的角度从材料表面反射出来。

在物理学中，叫做反射定律，即是：“入射角等于反射角。

”光的反射定义当然，我们生活在一个不完美的世界里，并不是所有的表面都是光滑的。

当光线照射到粗糙的表面时，因为表面是不均匀，入射光线会以各种角度反射。

这种散射发生在我们每天遇到的许多物体上。

纸的表面就是一个很好的例子，如果你在显微镜下观察它，你会发现它特别粗糙。

当光照到纸上时，光波会向四面八方反射。

这就是纸张如此有用的原因——无论你的眼睛从什么角度看表面，你都可以阅读印刷页上的文字。

折射发生在光线从一种透明介质（比如说，空气）经过另一种透明介质（水）时。

当这种情况发生时，光线会改变速度，光线会折射，向我们称之为“法线”的方向折射，这是一条与物体表面垂直的假想直线。

光波的弯曲量或折射角取决于材料减缓光线的程度。

光进入钻石后，大大的减缓，因而能闪闪发光。

钻石的折射率比水高，也就是说，那些闪闪发光的光阱会在更大程度上减缓光线。

光的折射与反射透镜，像望远镜或眼镜中的透镜，利用的是光的折射。

透镜是一块玻璃或其他透明物质，其弯曲的一面用来聚光或分散光线。

透镜用于折射每个边界处的光。

当光线进入透明材料时，它会被折射。

当同样的光线离开时，它又折射出来了。

在这两个边界处折射的净效果是光线改变了方向。

我们利用这一效果来矫正一个人的视力，或者通过使远处的物体看起来更近或者小物体看起来更大来增强视力。

不幸的是，射线理论不能解释光所表现出的所有行为。

我们还需要一些其他的解释，比如我们接下来要讨论的内容。

光波与水波不同，光波遵循更复杂的路径，它们不需要介质来传播。

19世纪初，还没有真正的证据来证明光的波动理论。

这种情况在1801年发生了变化，当时英国医生兼物理学家托马斯·杨设计并运行了科学史上最著名的实验之一。

它今天被称为双缝实验，需要简单的设备——一个光源、一张并排开两个孔的薄卡片和一个屏幕。

托马斯·杨的双缝实验为了进行这个实验，托马斯·杨允许一束光线穿过针孔，击中卡片。

他推断，如果光线中含有粒子或简单的直线光线，没有被不透明卡挡住的光线就会穿过狭缝，以直线的方式传播到屏幕上，在屏幕上会形成两个亮点。

托马斯·杨没有观察两个亮点，取而代之的是，他在屏幕上看到了明暗交替的条形码图案。

为了解释这种出乎意料的模式，他设想光像水波一样在太空中传播，有波峰和波谷。

他这样想，得出结论：光波穿过每个狭缝，形成两个独立的波前。

当这些波前到达屏幕时，它们相互干扰，在两个波峰重叠和叠加的地方形成了明亮的波带，在波峰和波谷排成一列并完全相互抵消的地方形成了暗带。

托马斯·杨的工作激发了人们重新思考光的工作原理。

科学家们开始提及光波，并相应地改变了对反射和折射的描述，指出光波仍然遵循反射和折射定律。

顺便说一下，光波的折射解释了我们经常遇到的一些视觉现象，比如海市蜃楼。

海市蜃楼是当从天空向地面移动的光波被加热的空气折射时产生的一种错觉。

光是电磁波19世纪60年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（james clerk maxwell）在阐述电磁理论时，他把光描述成一种非常特殊的波——一种由电场和磁场组成的波。

这些场与波的运动方向成直角振动，彼此成直角振动。

因为光有电场和磁场，所以也被称为电磁辐射。

电磁辐射不需要介质来传播，当它在真空中传播时，以每秒约300000公里的速度移动。

科学家称之为光速，是物理学中最重要的数字之一。

一旦麦克斯韦引入了电磁波的概念，一切就井然有序了。

科学家现在可以根据波的结构和功能，利用波长和频率等术语和概念，开发出一个完整的光的工作模型。

根据这个模型，光波有很多种大小。

波的大小是以波长来衡量的，波长是连续波上任意两个对应点之间的距离，通常是峰到峰或谷到谷的距离。

我们能看到的光的波长范围从400纳米到700纳米（或十亿分之一米）。

但是电磁辐射定义中包含的所有波长范围，从伽马射线中的0.1纳米延伸到无线电波中的厘米和米。

光波也有许多频率。

频率是指在任何时间间隔（通常是一秒钟）内通过空间某一点的波的数量。

我们以每秒的周期（波）或赫兹为单位来测量它。

可见光的频率被称为颜色，范围从430万亿赫兹（红色）到750万亿赫兹（紫色）。

同样，整个频率范围超出了可见部分，从无线电波中小于30亿赫兹，到伽马射线中大于30亿赫兹（310^19）。

光波中的能量量与其频率成正比：高频光具有高能量；低频光具有低能量。

所以，伽马射线的能量最大（部分原因是它对人类如此危险），而无线电波的能量最小。

在可见光中，紫色的能量最大，红色最少。

如附图所示，整个频率和能量范围称为电磁频谱。

注意，这个数字不是按比例绘制的，可见光只占光谱的千分之一。

这并不意味结束了对光的讨论，爱因斯坦在20世纪初的工作重新唤起了一个古老的观念，光，也许还是粒子。

光作为粒子麦克斯韦对电磁辐射的理论处理（包括对光波的描述）是如此优雅和具有预见性，以至于19世纪90年代的许多物理学家认为，关于光及其工作原理，没有什么可说的了。

然后，在1900年12月14日，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个简单但令人不安的想法：光必须携带离散量的能量。

他提出，这些数量必须是基本能量增量hf的单位，其中h是一个宇宙常数，现在称为普朗克常数，f是辐射的频率。

光照耀在太阳能板上释放能量包，利用这些能量可以发电在1905年，阿尔伯特·爱因斯坦研究光电效应时提出了普朗克的理论。

首先，他开始在金属表面照射紫外线。

当他这样做时，他能够探测到从表面发射的电子。

这是爱因斯坦的解释：如果光中的能量成束，那么人们可以认为光包含微小的块状或光子。

当这些光子撞击金属表面时，它们就像台球一样，将能量转移到电子中，电子从它们的"父"原子中分离出来。

一旦释放，电子沿着金属移...