看见光的15种方式

以下文章来源于原理 ,作者原原

在《牛津英语词典》中,光(light)的首则定义是 ” 引起视觉器官功能性活动的自然因素或影响 “;在中文字典里,光通常指可见光,也会指代色泽和光彩,甚至引申成荣誉和荣耀。

事实上,即使翻找字典里长达数页的有关 ” 光 ” 的诠释,我们也很难解释清这个简单的字眼对我们而言究竟意味着什么。在宇宙诞生后的 138 亿年里,光子几乎影响了宇宙中的一切。在人类出现后的数十万年里,光和水、碳一样,是我们生存必不可少的核心要素。

在这里我们找到了 15 个有关光的词汇,它们反映了光如何照耀宇宙,点亮生命,以及照亮我们认知世界的道路。或许从这些词中,你会获得有关光的新的理解。

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地球两极都会出现极光。在不同的文化中,人们对极光有着不一样的解读,比如对因纽特人来说,北极光被认为是天空的精灵在进行足球比赛。从科学的角度来看,极光产生的机制同样令人惊叹:太阳释放的带电粒子被地球磁场带向南北两极,这些粒子与大气中的气体发生碰撞,散发出霓虹灯般耀眼的光芒。

植物和光合细菌将水和二氧化碳转化为糖,从而维持自身的生存,这需要能量来催化反应。叶绿素的作用就是捕获高能的光子。但从理论上来说,叶绿素并不是绝对理想的。叶绿素的两种分子形式(叶绿素 a 和叶绿素 b)在可见光谱的红端和蓝端吸收光的效率最高,两者之间的反射波长使得叶子呈现出绿色,这也意味着植物 ” 错失 ” 了绿色这一波长的光。如果请工程师来设计,任何明智的工程师都会将植物染成黑色,从而吸收所有的阳光。但自然选择并没有那么苛求,叶绿素已经足够好了,它足以养活整个地球。

以太是一种假想介质。特别是在 19 世纪科学家托马斯 · 杨(Thomas Young)展示了光波的实验证据后,科学家认为,需要用类似声学的术语来描述光。如果声波通过空气传播,那么能够传播光波的介质又是什么?为了解释光传播的巨大速度,以及无法测量出的理论上存在的 ” 以太风 “,数学家计算出,以太一定比钢更坚固,同时又比空气更稀薄,因此没有人能找到它。现在我们已经知道,它是科学史上最著名的错误之一。

在电气照明的领域,最令发明家头疼的就是寻找一种实用的灯丝。任何碳化纤维在真空烧瓶内通电时都会发光,但在热灯丝自毁之前,光照往往只能持续几分钟。托马斯 · 爱迪生(Thomas Edison)曾用纸板、软木塞、生丝、人类胡须等等数千种物质进行了试验,最后在竹子中找到了合适的材料。那时,还有其他发明家也在寻找替代方案。后来,钨丝成了一种被广泛应用的选择。

萤火虫腹部的光来自一种名为萤光素的化学物质与氧气反应产生,萤火虫通过控制气流来调节闪光。很久之前,人们曾用关在笼子里的萤火虫当作灯笼。这种现象对被称为生物发光,它对人类也很有吸引力——从鱼类到细菌,还有其他许多能够进行生物发光的生物也在许多文化中被用于照明。如今,生物发光最主要的 ” 消费者 ” 变成了生物学家,他们使用一种萤火虫酶和来自生物发光的水母的绿荧光蛋白作为分子标记,成为医学实验中的光源。

最初的钟表就是日规,人们在地面上竖起一根木棍,通过步测影子的长度来读出时间。随着城市和机构的发展,日晷变得更加精巧,开始具有纪念意义。在罗马帝国,最豪华的日晷用掠夺来的埃及方尖碑做日规,它投下的影子落在地上巨大的格点中。那时,水钟也很常见,人们用从容器中倒出的水的速率来模拟一天的太阳活动。从此时起,日规和太阳逐渐退出了钟表历史的舞台。从钟摆到原子振荡,时钟变得越来越不依赖日光,最终甚至变得比自然的行星系统的运行更稳定且有规律。原子钟现在需要利用周期性的闰秒来 ” 校正 “。

在激光发明之前,太阳是许多光学实验中唯一适用的强光源。发条驱动的定日镜会随时间转动,从而补偿地球的运动,来获得稳定的阳光。如今,定日镜的目的已经有所不同:一圈圈的定日镜能够将太阳的热量集中在一个中心塔上,产生巨大的太阳能。这些太阳热电站赋予定日镜新的实验价值,它们帮助天文学家在夜间同样可以探测到最微弱的辐射。

激光发出的狭窄光束可以调谐到特定的频率,它潜藏在现代技术之下,改变了从全球通讯到内科医学的各个领域。但当激光刚刚出现时,它的价值并没有立即得到重视。当工程师西奥多 · 梅曼(Theodore Maiman)在 1960 年宣布首个激光的工作原型时,甚至连他自己的助手都称之为 ” 自找问题的解决方案 “。与 X 光类似,激光首先通过医学的实用主义影响了我们的生活,它最早的用途之一是帮助外科医生切除肿瘤。

在历史上很长一段时间里,人们一直以为光是瞬时传播的,即使有一些人曾对此提出怀疑,比如伽利略(Galileo Galilei),但碍于技术限制,他们也无法通过实验证明。因为光速实在太快了,只有进行天文观测才能满足。科学家在不同季节利用地球与木星之间的距离对光速进行测算,从 17 世纪到 20 世纪,光速被逐步精确到每秒 299792458 米,换句话说,一光年的距离约等于 9.5 × 10 米,相当于半人马座 α(南门二)距离的四分之一。光速被认为是宇宙中无法超越的速度极限。反过来,光速又改变了对距离单位的定义。自 1983 年,单位 ” 米 ” 被定义为光在 1/299792458 秒传播的距离。

光从一种物质进入另一种物质(比如从空气到水中)时往往会发生弯折,折射率的差异决定了光弯曲的程度。一些超材料具有负折射率,它能使光向相反方向弯曲,甚至可以构造成可以传导物体周围的光波,使物体看起来好像不存在一样。这听起来很像科幻电影中的 ” 隐形斗篷 “,但很可惜现实并不是这样,因为大多数超材料只能局限于弯曲特定波长的光,而这些波长往往远远超出了可见光谱的范围。

氖是一种惰性气体,通电时会发出橙红色的光。由于排放的热量极小,氖制成的灯可以达到很高的照明效率。20 世纪初,这种气体已经有了稳定的来源,它是氧气制造过程中的一种废弃物。这些因素使得工程师乔治 · 克劳德(Georges Claude)将氖气管视为灯丝灯泡的替代品。1910 年,克劳德用氖制成的灯照亮了巴黎大皇宫的正面。由于氖和其他惰性气体(包括氦和氩)制成的灯往往炫彩夺目,克劳德没能在家用照明领域掀起革命,但这种灯管却成了户外广告的理想选择。现在,在许多城市中,夜晚的霓虹灯比天上的星星要亮得多。

人类能看到的颜色其实只是光谱中很小一小部分。最初,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)在 ” 摆弄 ” 棱镜折射时发现了阳光中 ” 隐藏 ” 的彩色,这是人们认识光谱的第一步。到了 19 世纪,天文学家威廉 · 赫歇尔(William Herschel)在棱镜一端感受到了热量,让我们对光谱的认识延伸到了看不见的范围。赫歇尔发现不可见的红外光能够带来温暖。随着对光谱了解的深入,我们对宇宙的认识也随之扩展。

超新星是宇宙中最绚丽的 ” 烟火 “,其爆发亮度足以在整个星系中清晰可见。人类最早对超新星的观测记录来自 1054 年,这颗超新星爆发后产生了我们如今熟悉的蟹状星云。在空间望远镜的帮助下,我们已经观测到了远在 100 亿光年之外的超新星爆发事件。事实上,没有超新星就没有我们人类,因为过去的爆发事件产生了对生命至关重要的元素,并将这些元素散落在宇宙各处。此外,通过观测 Ia 型超新星,天文学家发现了宇宙的膨胀正在加速。

从黑暗时代(中世纪)到 19 世纪,动物脂一直被用来制作蜡烛。当时的人们发现,蜡烛的最佳配比是一半来自羊、一半来自牛的油脂组合,这样制成的蜡烛其烟味和臭味都比燃烧猪油要轻微得多。在一般工人的家里,日落后只有微弱的油脂蜡烛来提供唯一的光亮,但当时的贵族却可以大肆挥霍来自抹香鲸的鲸蜡。由于鲸蜡燃烧的火焰非常明亮,且当时大多数科学家都来自贵族阶层,一种光强度单位 ” 烛光 “(candlepower)被定义为两盎司的鲸蜡蜡烛以每小时 120 格令的速度燃烧所产生的光量。

1895 年 11 月 8 日,德国物理学家威廉 · 伦琴(Wilhelm R ntgen)注意到,在真空玻璃管中释放高压电,会导致经过化学处理的屏幕发光。更奇怪的是,当他把妻子的手放在真空管和一个照相底片之间时,他得到了一张妻子手部骨骼的影像。伦琴因此意外地发现了这种未知的射线,并将其命名为 “X 射线”。很快,医生已经开始使用伦琴发现的这种方法诊断四肢骨折。

#创作团队:

选题:HZXZ

文字:Takeko

图片:岳岳

视觉:Takeko

# 选题及参考来源:

https://nautil.us/issue/11/light/20-ways-to-see-the-light

# 图片来源:

封面及文首:Pixabay

极光:Pixabay

绿叶:Pixabay

叶绿体:DataBase Center for Life Science ( DBCLS ) / Wikimedia Commons

萤火虫:Terry Priest / Wikimedia Commons

定日镜:Jean Thie bault Silbermann- Silbermann heliostat-CnAM

X 射线:Mikael Ha ggstro m, M.D.

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