[科普中國]-光

光是一個(gè)物理學(xué)名詞，其本質(zhì)是一種處于特定頻段的光子流。光源發(fā)出光，是因?yàn)楣庠粗须娮荧@得額外能量。如果能量不足以使其躍遷到更外層的軌道，電子就會進(jìn)行加速運(yùn)動，并以波的形式釋放能量。如果躍遷之后剛好填補(bǔ)了所在軌道的空位，從激發(fā)態(tài)到達(dá)穩(wěn)定態(tài)，電子就不動了。否則電子會再次躍遷回之前的軌道，并且以波的形式釋放能量。

研究背景光的研究歷史和力學(xué)一樣，在古希臘時(shí)代就受到注意，光的反射定律早在歐幾里得時(shí)代已經(jīng)聞名，但在自然科學(xué)與宗教分離開之前，人類對于光的本質(zhì)的理解幾乎再沒有進(jìn)步，只是停留在對光的傳播、運(yùn)用等形式上的理解層面。（ 另，歷史告訴我們，古中國早在戰(zhàn)國初期，墨學(xué)創(chuàng)始人墨子便發(fā)現(xiàn)了光的反射定律，建立了中國的光學(xué)體系。）十七世紀(jì)，對這個(gè)問題已經(jīng)開始存在“波動學(xué)說”和“粒子學(xué)說”兩種聲音。

1925年，法國物理學(xué)家德布羅意又提出所有物質(zhì)都具有波粒二象性的理論，即認(rèn)為所有的物體都既是波又是粒子，隨后德國著名物理學(xué)家普朗克等數(shù)位科學(xué)家建立了量子物理學(xué)說，將人類對物質(zhì)屬性的理解完全展拓了。綜上所述，光的本質(zhì)應(yīng)該認(rèn)為是“光子”，它具有波粒二相性。但這里的波的含義并不是如聲波、水波那樣的機(jī)械波，而是一種統(tǒng)計(jì)意義上的波，也就是說大量光子的行為所體現(xiàn)的波的性質(zhì)。同時(shí)光具有動態(tài)質(zhì)量，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可算出其質(zhì)量。

光的概念光是一個(gè)物理學(xué)名詞，其本質(zhì)是一種處于特定頻段的光子流。光源發(fā)出光，是因?yàn)楣庠粗须娮荧@得額外能量。如果能量不足以使其躍遷到更外層的軌道，電子就會進(jìn)行加速運(yùn)動，并以波的形式釋放能量。如果躍遷之后剛好填補(bǔ)了所在軌道的空位，從激發(fā)態(tài)到達(dá)穩(wěn)定態(tài)，電子就不動了。否則電子會再次躍遷回之前的軌道，并且以波的形式釋放能量。

光的特征光同時(shí)具備以下四個(gè)重要特征：

1、在幾何光學(xué)中，光以直線傳播。筆直的“光柱”和太陽“光線”都說明了這一點(diǎn)。

2、在波動光學(xué)中，光以波的形式傳播。光就像水面上的水波一樣，不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色。

3、光速極快。在真空中為3.0×10?m/s，在空氣中的速度要慢些。在折射率更大的介質(zhì)中，譬如在水中或玻璃中，傳播速度還要慢些。

4、在量子光學(xué)中，光的能量是量子化的，構(gòu)成光的量子（基本微粒），我們稱其為“光量子”，簡稱光子，因此能引起膠片感光乳劑等物質(zhì)的化學(xué)變化。

光的傳播規(guī)律光在同種介質(zhì)中沿直線傳播。小孔成像、日食和月食還有影子的形成都證明了這一事實(shí)。

撇開光的波動本性，以光的直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在介質(zhì)中的傳播及物體成像規(guī)律的學(xué)科，稱為幾何光學(xué)。在幾何光學(xué)中，以一條有箭頭的幾何線代表光的傳播方向，叫做光線1。幾何光學(xué)把物體看作無數(shù)物點(diǎn)的組合（在近似情況下，也可用物點(diǎn)表示物體），由物點(diǎn)發(fā)出的光束，看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳遞方向。幾何光學(xué)中光的傳播規(guī)律有三：

（1）光的直線傳播規(guī)律已如上述。大地測量也是以此為依據(jù)的。

（2）光的獨(dú)立傳播規(guī)律。兩束光在傳播過程中相遇時(shí)互不干擾，仍按各自途徑繼續(xù)傳播，當(dāng)兩束光會聚同一點(diǎn)時(shí)，在該點(diǎn)上的光能量是簡單相加的。

（3）光的反射和折射定律。光傳播途中遇到兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分反射，一部分折射。反射光線遵循反射定律，折射光線遵循折射定律。2

光的應(yīng)用光在能源（清潔能源）、電子（電腦、電視、投影儀等）、通信（光纖）、醫(yī)療保健（γ光刀、光波房、光波發(fā)汗房、X光機(jī)）等方面有廣泛的應(yīng)用。

相關(guān)概念光源正在發(fā)光的物體叫光源，“正在”這個(gè)條件必須具備，光源可以是天然的或人造的。物理學(xué)上指能發(fā)出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線、X射線等不可見光）的物體。光源主要可以分為三類。

第一類是熱效應(yīng)產(chǎn)生的光。太陽光就是很好的例子，因?yàn)橹車h(huán)境比太陽溫度低，為了達(dá)到熱平衡，太陽會一直以電磁波的形式釋放能量，直到周圍的溫度和它一樣。

第二類是原子躍遷發(fā)光。熒光燈燈管內(nèi)壁涂抹的熒光物質(zhì)被電磁波能量激發(fā)而產(chǎn)生光。此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發(fā)光具有獨(dú)自的特征譜線。科學(xué)家經(jīng)常利用這個(gè)原理鑒別元素種類。

第三類是物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子加速運(yùn)動時(shí)所產(chǎn)生的光。譬如，同步加速器工作時(shí)發(fā)出的同步輻射光，同時(shí)攜帶有強(qiáng)大的能量。另外，原子爐（核反應(yīng)堆）發(fā)出的淡藍(lán)色微光（切倫科夫輻射）也屬于這種。

光子根據(jù)量子場論（或者量子電動力學(xué)），光子是電磁場量子化之后的直接結(jié)果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質(zhì)，是與分子、原子等實(shí)物粒子一樣，有其內(nèi)在的基本結(jié)構(gòu)（組成粒子）的。而在經(jīng)典的電動力學(xué)理論中，是沒有“光子”這個(gè)概念的。量子物理學(xué)中，光子是電磁場的微觀組成單元，電磁場是大量光子的累積效應(yīng)。就如同地球水份分布是大量水分子的累積效應(yīng)。

光速光（電磁波）在真空中的傳播速度。公認(rèn)值為c=2.99792458×10?m/s（或2.99792458×10?km/s）（精確值），是最重要的物理常數(shù)之一。狹義相對論的基本原理之一是光速不變原理。這與光速定義為一固定值是相一致的。不過迄今還有人仍在檢驗(yàn)在更高的精確度下，光速究竟是否恒定。

除真空外，光能通過的物質(zhì)叫做（光）介質(zhì)。從宏觀上來說，光在介質(zhì)中傳播的速度小于在真空中傳播的速度。2

超光速超光速會成為一個(gè)討論題目，源自于相對論中對于局域物體不可超過真空中光速c的推論限制，光速成為許多場合下速率的上限值。在此之前的牛頓力學(xué)并未對超光速的速度作出限制。而在相對論中，運(yùn)動速度和物體的其它性質(zhì)密切相關(guān)，速度低于（真空中）光速的物體如果要加速達(dá)到光速，其質(zhì)量會增長到無窮大因而需要無窮大的能量，而且它所感受到的時(shí)間流逝甚至?xí)Ｖ?，所以理論上來說達(dá)到或超過光速是不可能的（至于光子，那是因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)處于光速，而不是從低于光速增加到光速）。但也因此使得物理學(xué)家（以及普通大眾）對于一些“看似”超光速的物理現(xiàn)象特別感興趣。

物體要到光速需要無限能量，而在平行空間下無法超光速?，F(xiàn)已有科學(xué)家提出設(shè)想：將物體前方的空間壓縮，將物體后方的空間擴(kuò)大來超過光速。只是需要巨大的能量，現(xiàn)有科技也無法做到。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳波 - 副教授 - 中央財(cái)經(jīng)大學(xué)