用激光笔射向夜空，如果关闭开关，先前发射那束光还会在宇宙中吗

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先做一个开篇提问：用一支激光笔射向夜空中，当你关闭开关的瞬间，先前射出去的那束激光还会在宇宙中传播吗？（文末解答）

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光的本质是什么？

为什么同样一束光可以穿过玻璃，却不能穿过我们的身体或者墙壁，光在穿过玻璃而过的过程中，玻璃里发生了什么？镜子为什么可以反射光？光子没有质量，为什么光会产生光压？没有质量的光又为什么会被黑洞吸引？光照射在太阳能板上为什么会产生电流？

这一连串的为什么或许我们没有去了解过，今天我们就来探究一下，光到底是什么？

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光粒子说

1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物体是由大量坚硬粒子组成的。

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并在1660年出版的他所著的书中涉及到了他对于光的观点。他认为光也是有大量坚硬粒子组成的。牛顿随后对于伽森荻的这种观点进行研究，他根据光的直线传播规律，最终于1675年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说很容易解释光的直进性，也很容易解释光的反射，因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律与光的反射定律相同。

光粒子说示意图

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光的反射现象

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然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时发生反射和折射，以及几束光交叉相遇后彼此毫不妨碍地继续向前传播等现象时，却发生了很大困难。

同时折射与反射

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互不干涉现象

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不是粒子那是什么呢？

电场

带电体周围存在着一种特殊物质，那就是电场。记住，它是一种物质，是一种特定的存在，是用眼看不到的，但可以感觉得到的存在。不信的话，可以伸手试试！比如下图的静电场。我们用眼睛看不到，但是我们的头发却很“诚实”。

19世纪30年代,英国科学家法拉第提出了“电荷的周围存在着由它产生的电场”这一观点，随后物理学理论和实验不仅证实了法拉第的这一观点，而且证明了电场是一种客观存在的物质形式。电场是看不见、摸不着的，为了形象地描述电场中各点电场强度的大小和方向，法拉第还引入了电场线的概念。

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对比一下上图，我们的头发是不是形象地诠释了电场线的存在？

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电场这种物质不是由微观粒子构成的，它既不是分子，也不是原子，但它确实是存在的，不但有大小，而且有方向。若把一个带电的粒子放在它的周围，带电粒子就会受到力的作用，这个力就是电场力。

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磁场

磁场是一个物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。磁场是由运动着的微小粒子构成的，在现有条件下看不见、摸不着。磁场具有粒子的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。

磁铁的磁力线

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磁铁为什么会产生磁场？简单的说就是磁铁这种物质的每个四氧化三铁分子所产生的分子电流在整体上是高度有序的，导致整块磁铁产生了磁性。

分子电流又称“安培电流”。分子或原子中由电子运动所形成的电流。可用以说明物质的磁性。

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关于物质磁性本质的假说。由安培于1821年提出。他观察到通电螺线管有像磁体一样的作用，认为一切磁现象的根源是电流的存在。磁性物质的分子中存在着回路电流，称为分子电流，分子电流相当于基元磁体。物质的磁性就决定于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。分子电流与导线中通过的宏观电流是有本质区别的，安培的假说把永磁体产生的磁场与宏观电荷运动产生的磁场统一了起来。安培的假说与现代对物质磁性的理解是相当符合的，所以仍被采用。根据安培假说，基元磁体两个磁极对应于圆形电流的两个面，显然这两个面是不能单独存在的，由此很容易解释磁体的N、S两极不能单独存在的原因。

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电磁场与电磁波

我们知道了电场，也知道了磁场，这两个东西在一起就创造了一个叫电磁场的东西。打个比方，电磁场就像一汪平静的湖水，突然有人扔了一颗石头进去，就形成了水波向远方传播开，你在湖东岸扔的石头，最终水波会传到湖的西岸。

电磁场的向外传播就形成了电磁波。电和磁能相互转化，按中学物理教科书的说法，即是交变的电场能产生磁场，交变的磁场又能产生电场。让我们想象一下，电场产生磁场，磁场产生电场，然后电场又产生磁场，无限循环下去，电场和磁场就会以波的形式向外传播出去。

电磁波示意图

电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。电磁波的传播速度与光速相等。

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电磁波是能量传播形式的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。

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光是电磁波的一种

写到这里，我们揭秘光的其中一种比较主流的解释，光属于一种电磁波。只是我们人类定义频率在380~750兆赫，波长在390nm - 780nm（纳米）之的电磁波叫做可见光，而对于动物来说，它们眼中的光和我们大不同。

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电磁波谱表-可见光波谱

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比如动物中的北美驯鹿就是能看到紫外线的佼佼者。它们眼中的蘑菇可能是这个样子的。

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驯鹿每年都会迁徙，在迁徙过程中，他们依靠紫外线，分辨地衣，地衣是他们迁徙途中的主要食物。利用紫外线，他们还能分辨出食肉动物的尿液和白雪，因为尿液吸收紫外线，而白雪反射紫外线，这使得驯鹿可以避免偶遇食肉动物。再比如蛇，它们能感知红外线，并非通过眼睛，而是通过热窝结构，然后在大脑中AI出猎物的红外影像再与视网膜图像叠加。

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而对于短波收音机来说，它们“看到”的“光”是波长10~100米的电磁波。而假设人类眼睛能看到4G发射台发出的电磁波，我们站在高处将会看到这样的景象。

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如果光是电磁波的一种，那么来解释一下玻璃为什么是透明的？这个问题应该问成，玻璃这种材质在可见光范围内看起来为什么是透明的？因为有些电磁波在穿过钢化玻璃时信号会衰减得很厉害，那么对这些波段来说，玻璃就不是透明的，而是类似毛玻璃的效果。

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镜子的制造原理其实很简单，就是在透明的玻璃表面镀一层不透明的金属膜（现代制镜通常是镀银），使其表面能够成像。那么，为什么玻璃透明而金属不透明呢？

简单来说，玻璃之所以透明是因为它无法吸收可见光，而金属不透明是因为它吸收了可见光。这个道理听起来很容易理解，那么，决定物质能否吸收可见光的因素是什么呢？

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可见光作为一种电磁波，本身是含有能量的，因此，物质原子中的电子可以借助可见光的能量进行跃迁。不过跃迁能否成功，还要取决于这种物质中电子的活跃度。比如金属，金属容易成为导体说明其中的电子比较容活跃，当可见光照射到金属表面，其中所含的能量马上被金属中的电子吸收，光线能量迅速衰减，使得金属看起来不透明。而玻璃是绝缘体，说明其中的电子不活跃，所以光波的能量不会被电子吸收。就从玻璃介质中传播过去了。

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金属都是以金属键结合而成的金属晶体,金属原子以最紧密堆积状态排列,金属内部有自由电子,它的运动范围是整块金属,当白光照到金属表面时,自由电子能吸收所有波长的光,随即又反射出来,因此绝大多数金属(除金呈黄色、铜呈赤红、铯呈浅黄、铋为淡红、铅为淡蓝以外)都呈现银白色光泽。

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不过，金属的这种不透明，是基于可见光的能量条件（不同波长的电磁波能量也不同）。如果改变这个条件，情况就会发生变化。

我们知道，可见光是电磁波中波长范围在400～800nm的部分。除了可见光，电磁波中还有其他为我们所熟知的部分，比如微波炉所使用的微波，其波长范围是1mm~1m；还有医院用来检查身体的X射线，其波长范围是0.01～10nm。

在可见光状态下，我们的身体是不透明的，我们不能透过皮肤和肌肉看清体内的骨骼和器官；但是在X射线条件下，肌肉和骨骼吸收X射线的能力不同，我们可以通过X射线，清楚地看到骨骼和器官。

X光照片

因此，假设存在一种射线，连金属中电子跃迁所需的最低能量都无法达到。那么，在这种射线条件下，金属就是透明的。或者我们也可以尝试把金属打磨到无限薄，薄到其中的电子含量可以忽略不计。在这种情况下，金属吸收的能量非常有限，即便受到可见光的照射，看起来也有可能是透明的。

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有透明的金属吗？

目前有一种材料，兼具透明和导电的特质，常被应用于手机和平板电脑屏幕，这种材料就是ITO，即氧化铟锡。

氧化铟锡是一种半导体。半导体中的能带不是连续的，能带和能带之间存在着能量差异。因此，与金属中的电子相比，半导体中的电子需要吸收更多能量才能完成跃迁。

为了在高空防止风挡结霜，客机风挡上会涂抹一层氧化铟锡薄膜。氧化铟锡既能导电又透明。

氧化铟锡薄膜在可见光下出现干涉彩虹

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光电效应

图片是中国空间站上的太阳能帆板，是把光变成电的装置。光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确解释这一现象的人是爱因斯坦。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这就导致光只是电磁波的说法受到了挑战。

让科学家绝望的光双缝干涉实验

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光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。

光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。到这里科学家只能认为光同时具有粒子性也同时具有波动性。称为光的波粒二象性。

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光的最新解释-光量子说

光量子假说的主要观点：光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被物体的分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC^2=HV, 由于光子无法静止，所以它没有静态质量，而具有相对论质量。

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。

光没有静态质量，但是有相对质量，所以光可以产生光压。太阳光帆飞船就是这个原理。

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太阳光帆飞船

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光没有质量为什么会被引力弯曲，甚至逃不出黑洞？因为光所传播的场被引力弯曲了，所以光就跟着弯曲了，光好比在公路上奔驰的汽车，路如果转弯了，车也一定会转弯。

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引力陷阱

梵观点：今天写的有点多，因为光到目前为止人们都没有完全搞懂它的本质。开篇的问题“用一支激光笔射向夜空中，当你关闭开关的瞬间，先前射出去的那束激光还会在宇宙中传播吗？”回答是：按光量子说，会存在的，并且一直在宇宙中传播，直到被其他星体或者物质吸收了。

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比如我们现在的夜空，很多光线是从百亿光年外传到地球的，现在那个地方，那颗星星可能早已经不在了，但是连续发出来的光还一直都在！

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X光图经典

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