光的科学——宇宙的心跳,定义了一切

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光的科学——宇宙的心跳,界说了统统

光是大自然的奇迹之一,我们家常便饭,由于我们每天都看到它。我们不仅看到了它,而且除了它什么也没看到。“看见”的界说是与电磁波相互作用,光子击中我们的眼睛。光线是分散的,差别的波长表现出差别的颜色,我们看到的统统都是光的表达。

如果我们把光广义地界说为电磁波谱上的每一种辐射,那么我们能看到的光就更多了。我们的眼睛是一套探测器,可以探测电磁波,但只能探测到特定波长范围内的电磁波。其他的波长的波可以借助仪器“看到”。用差别波长的光来观察宇宙可以让我们看到人类无法看到的东西。

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  • 在差别波长下观察到的银河系。从顶部最长的无线电波到底部最短的伽马射线。

光是一种波,但光也是一种粒子。每个粒子也是一个波,这就波粒二象性。就像电子一样,当它在空间中流传时,它表现得像波一样,但当它被测量时,它可以作为单个粒子被探测到。

这两种界说现实上只是同一情况的两个方面,但光子包罗电子等其他粒子的内部构造既不是波也不是电子,它们是一些我们还没有完全明白的东西。

现代物理学中更完整的界说是将物质和能量最根本的组成单位界说为量子场,每个粒子都有一种范例的场。因此,每个根本粒子都有一个电磁场,一个上夸克场等等。

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  • 电磁力思维导图

让我们分开来看一看关于光概念的界说,起首从电磁波和电磁波谱开始。

作为电磁波的光

电磁波也是四种根本力之一——电磁力。力是一种以光速在空间中流传的波。

当波在水中流传时,我们可以把波的概念联系起来。当波穿过水时,水自己并不是沿着波的方向流传的,当波穿过水时,水分子重要是上下运动。同样地,电磁波是一个力场,当它穿过空间时,强度会发生振荡。

与水波的类比有偏差。电磁波不需要物质介质就可以穿过,它可以在真空中的流传。当光通过差别的介质,如水、氛围或玻璃时,它的速率比通过真空时要慢。只管云云。

另一个差别是,电磁波由两个相互垂直运动的波组成,电场和磁场沿同一方向流传。这两种波是相互跟随的,以是当电场最大时,磁场也是最大的。

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  • 电磁波及其特性。

因此,电和磁是同一种力的一部分,而这种力与我们所看到的光也是同一种力。这都是相互联系的。

我们的视觉和光线探测

当我们用眼睛观察时,我们能察觉到物体外貌反射的光。我们的眼睛可以探测到反射的电磁波,波长在约莫400到750纳米之间。波长较短的是紫外线、x射线,波长最短的是伽马射线和宇宙射线,波长较长的是红外线、微波和无线电波。

与其他的电磁波谱相比,我们所能看到的光的电磁波长并没有什么特别之处。我们在光学波长中看到的颜色并不是一种普遍的属性,它只是我们大脑的属性。

我们的眼睛能顺应来自太阳的光。如果我们的太阳是一颗巨大的蓝色恒星,我们的视野大概在紫外线辐射范围内,如果它是一颗红矮星,我们大概看到的是红外线。固然,我们的大脑也可以顺应在这些波长中看到颜色。

剩下的电磁波谱

光谱中波长最短的是宇宙射线和伽马射线,它们对我们的细胞来说是致命的,由于它们携带了充足的能量来分解分子和细胞结构。

对于x射线,除非我们是超人,否则我们看不到x光,但是它们可以穿过我们身体的软组织而不被阻挡,而骨头会吸收它们,这就是为什么我们可以用x光看到我们的骨骼。

紫外线的波长刚好低于我们的可见光谱,携带的能量比x射线少,但比可见光的能量多。幸运的是,大多数来自太阳的紫外线会被平流层的臭氧层吸收,否则,我们将会受到致命高能辐射。

波长略长于可见光的是红外光。我们的身体也会以红外黑体辐射的形式辐射热量,有红外视力的人可以在暗中中看到我们的样子。有些动物能看到紫外线或红外线。如果我们能看到这些,天下肯定会变得更美好。也许更令人困惑。

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  • 将wifi信号刻画成差别的颜色。

光的强度与磁场中任一电场的振幅的平方成正比。强度可以宽泛地界说为在给定时间内通过给定地区的“光子数”。由于光是电磁波,但它也是光子粒子。

光粒子

光子被界说为电磁辐射的最小量子。与我们的宏观天下差别,一个粒子只能有离散的能级,这就是量子力学。

一个粒子有一个大概被探测到的概率分布。在微观天下中,粒子存在于全部这些位置的叠加中,直到被测量到一个特定的位置。我们大概只看到了宇宙的一小部分,由于我们看不到全部其他状态的粒子。我们所观察到的都只是多种状态中的一种,而其他状态在我们观察时“坍缩”了。

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  • 光被界说为粒子

存在两种根本粒子——玻色子和费米子。玻色子是四种根本力的载体,电磁力便是此中之一(其他三种是强力、弱力和引力)。以是从这个意义上说,粒子不仅是我们一样平常生活中所知的固体物质,而且全部物质之间大概的相互作用都是由根本粒子引起的。我们还没有探测到引力子。

光子是可以携带的最小的能量包,其能量与光子的振动频率成正比——E = hf。此中h为普朗克常数,f为频率。

当两个带电粒子受到电磁力的吸引或排挤时,就可以认为是两个粒子与一个假造光子不停地交换能量。原子中带正电荷的原子核和带负电荷的电子被电磁力捆绑在一起,因此你可以把它想象成一个假造光子在原子的“空空间”中来回交换。

光作为量子场

每种根本粒子都有一个场,最常见的例子是电场和磁场的相互作用。

当一个电子吸收了一个光子并被引发,我们把它看作是一种能量转移,由于光子携带能量。宇宙是由粒子场组成的,它是电场和磁场的相互作用,此中磁场失去一个引发量子,而电场得到一个。

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  • 粒子,包罗根本力,界说为引发粒子场

我们对宇宙的体验是由光来界说的。电磁力不仅界说了我们的视觉,也界说了我们的其他感官。当我们接触某物时,电磁力再次起作用。

电磁力是通过吸引带负电荷的电子和带正电荷的原子核使原子保持在一起的键。它也是使分子团结在一起的原因,通常是由带正电荷的原子核共享电子云。固体中分子之间的电磁键将它们团结在一起,使固体不可穿透。

到达我们耳朵的声音是骨骼产生的振动,末了,这些振动也只能通过电磁力推动其他粒子产生。嗅觉和味觉是被我们的大脑解释的化学反应,终极,这些反应也是由电磁力引起的。电磁力是我们通过感官体验物质宇宙的方式,不仅仅是我们的视觉,而是我们全部的感官。

光的科学——宇宙的心跳,界说了统统

光不仅对我们来说是根本的,对我们怎样对待和界说宇宙来说也是根本的,而且它还具有界说宇宙的属性。

这是爱因斯坦在1905年提出狭义相对论之前花很多时间来思索的标题。

光速是恒定的。与其他任何东西的速率差别,光速与观察者无关!如果你开一辆200000 km / s的汽车并打开远光灯,远光灯光速仍将以300000 km / s的速率进步(相对于你)。这时,时空会被扭曲,时间就会减慢,空间会缩短。

光速总是恒定的,与观察者的速率无关,空间和时间是可塑的。光是宇宙的主宰。

你走得越快,时间就显得越慢。在光速下,没偶尔间概念,时间停止。如果能把宇宙当作一束无质量的光束来体验,你就能在一瞬间体验到从大爆炸到宇宙闭幕的统统。时间只会被我们的质量和引力势拉长。幸运的是,它至少给了我们一点时间去体验由光自己所赋予的宇宙之美。


来源:https://www.toutiao.com/a6859889444061708812/
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