光是什么?


光是什么?

文章插图
对光的研究起源于古希腊 , 在那里 , 哲学家们开始思考视觉是如何工作的 。柏拉图和毕达哥拉斯等思想家认为 , 我们的眼睛会发出微弱的光线进行探测 。这些光线将收集我们周围物体的信息 , 并以某种方式将这些信息带回给我们 。
大约一千年后 , 阿拉伯数学家阿尔哈曾(Alhazen)通过提出一个简单的问题证明了这些哲学家的错误:如果我们的眼睛能发光 , 为什么我们在黑暗中看不见任何东西?
阿尔哈曾提出了自己的视觉理论 。他认为 , 我们的眼睛不会创造光线而是捕捉光线 。根据他的说法 , 我们看见物体的图像 , 来自于从物体身上反射到我们的眼睛里的太阳光线 。
【光是什么?】
光是什么?

文章插图
阿尔哈曾的理论是对的 , 我们身边的物体都会反射光线 。
这个理论同样可以解释为什么我们可以看到不同的颜色 。当我们将光线照射到玻璃棱镜上时可以看到 , 白光包含各种颜色的光 。
例如 , 当白光照射到一个红苹果上 , 这个苹果会吸收除红光外的所有光 。这样 , 红光就可以被反射到我们眼中并让我们看到这个苹果 。
我仍然没有解释光到底是什么 。让我们先看一看维基百科给出的光的定义:
光或可见光是可被人眼感知的电磁辐射 。
电磁频谱
所有的电磁辐射的频谱被称为电磁频谱 。可见光是波长大约在380-700纳米之间的电磁波 。
光是什么?

文章插图
电磁辐射是空间中以光速传播的电和磁的振动 。电磁波和机械波(声波、湖面的水波等等)之间最大的区别是电磁波的传播不需要介质(比如水或空气) 。
我们来考察一下声波这种机械波:
光是什么?

文章插图
我们可以看到一根杆在空气中往复运动 。相应的 , 空气粒子(黑点)也开始运动 。它们之所以这样运动 , 完全是由于压力的作用 。
粒子密度越大 , 压强就越大;粒子密度越低 , 压强就越小 。粒子总是从高压区域移动到低压区域 。可以想象一个气球:对于吹饱的气球 , 气球内部的压强高于气球外部的压强(相同空间量下的空气粒子数) 。当你松开气球的末端时 , 空气粒子将被推出气球 , 气球将会收缩 。这表明空气颗粒从高压区域移动到低压区域 。
如果仔细观察移动的粒子 , 您可能会注意到每个粒子都在两个依次出现高压的区域之间来回移动 。正是这种运动产生了波动 。粒子本身不会从运动的杆那里移动到人的耳朵 , 但杆的能量可以 。机械波只传输能量 , 不传输质量 。这些波需要介质中的粒子来传输能量 , 然后这些粒子再把能量传递给其他粒子 。机械波的另一个形象的例子是倒下的多米诺骨牌 。
正如前面提到的 , 电磁波的传播不需要介质 , 它们可以在真空中传播 。
电磁波
电和磁是相辅相成的 。甚至有一整个物理学的学科来专门研究它们之间的关系 , 那就是电磁学 。
任意移动的电荷都会产生磁场 。例如 , 当电流在直导线中运动 , 导线周围就会形成一个电磁场 。
光是什么?

文章插图
如果想增强磁场的强度 , 那么你可以把导线绕成线圈 。这正是电磁铁的基本工作方式 。
光是什么?

文章插图
变化的磁场同样可以产生电场 , 进一步可以产生电流 。
光是什么?

文章插图
电流只有在磁铁运动(磁场变化)的时候才会产生 。
既然知道了电和磁之间的基本关系 , 我们就可以重新思考电磁波了 。
创造电磁波 | 加速电子
一个加速的带电粒子(如一个电子)会产生一个电场 , 它的运动也可以产生一个磁场 。这个磁场会进一步产生另一个电场 , 电场又会产生新的磁场 , 电场和磁场就会这样彼此激发下去 。结果就是在空间中产生一个高速传播的电磁波 。


推荐阅读