光(Light)是电磁频谱某一部分内的电磁辐射。 这个词通常指的是可见光,它是人眼可见的可见光谱并且对视觉负责。 可见光通常被定义为在红外线(具有较长波长)和紫外线(具有较短波长)之间具有在400-700纳米(nm)或4.00×10 -7至7.00×10 -7 m范围内的波长, 。 这个波长意味着大约430-750太赫兹(THz)的频率范围。

地球上的主要光源是太阳。 阳光提供了绿色植物用于制造糖类的能量,主要以淀粉的形式产生糖,释放能量到消化它们的生物体中。 这个光合作用过程实际上提供了生物所使用的所有能量。 历史上,从古老的营火到现代煤油灯,人类的另一个重要光源已经发生火灾。 随着电灯和电力系统的发展,电灯已经有效地取代了火光。 一些动物种类会产生自己的光线,这种过程称为生物发光。 例如,萤火虫使用光来定位配偶,而吸血鱿鱼则用它来躲避猎物。

可见光的主要特性是强度,传播方向,频率或波长谱,以及极化,而其在真空中的速度为每秒299,792,458米,是自然界的基本常数之一。 实验发现,与所有类型的电磁辐射(EMR)一样,可见光始终以这种速度在真空中移动。

在物理学中,术语光有时指任何波长的电磁辐射,无论是否可见。 从这个意义上说,伽马射线,X射线,微波和无线电波也很轻。 像所有类型的电磁辐射一样,可见光像波一样传播。 然而,由波所赋予的能量在粒子被吸收的方式在单个位置被吸收。 电磁波吸收的能量称为光子,代表光的量子。 当一束光被转换并吸收为光子时,波的能量立即崩溃到一个位置,而这个位置就是光子“到达”的位置。 这就是所谓的波函数崩溃。 这种双波状和粒子状的光被称为波粒二象性。 光的研究,被称为光学,是现代物理学中一个重要的研究领域。

电磁波谱和可见光
一般来说,EM辐射或EMR(名称“辐射”不包括静电场,磁场和近场),按波长分为无线电,微波,红外线,我们认为可见光区域,紫外线,X射线和伽玛射线。

EMR的行为取决于其波长。 较高的频率具有较短的波长,较低的频率具有较长的波长。 当EMR与单个原子和分子相互作用时,它的行为取决于它携带的每个量子的能量数量。

可见光区域中的EMR由量子(称为光子)组成,这些量子位于能量的下端,能够引起分子内的电子激发,这导致分子的键合或化学变化。 在可见光谱的较低端,EMR对人类(红外线)是不可见的,因为它的光子不再具有足够的独立能量来引起视网膜视觉分子视网膜中持久的分子变化(构象变化),其中变化触发了视觉的感觉。

存在对各种红外线敏感的动物,但不是通过量子吸收。 蛇的红外感应取决于一种自然热成像,其中通过红外辐射使微小的细胞水温升高。 在这个范围内的EMR引起分子振动和加热效应,这就是这些动物如何检测它。

在可见光范围以上,紫外线对人类来说是不可见的,主要是因为它被360纳米以下的角膜和400以下的内部晶状体吸收。此外,位于人眼视网膜上的杆和锥不能检测到短(低于360nm)的紫外线波长,并且实际上被紫外线损坏。 许多眼睛不需要镜片的动物(如昆虫和虾)能够通过量子光子吸收机制以与人类检测可见光相同的化学方式检测紫外线。

各种光源将可见光限定在420到680的范围内,广泛地限定在380到800 nm之间。 在理想的实验室条件下,人们可以看到至少1050 nm的红外线; 儿童和年轻人可能会感受到紫外线波长下降到约310至313纳米。

植物生长也受到光谱颜色光谱的影响,这一过程称为光形态发生。

光速
真空中的光速定义为299,792,458 m / s(大约每秒186,282英里)。 SI单位光速的固定值是由于现在根据光速定义的。 所有形式的电磁辐射在真空中都以完全相同的速度移动。

不同的物理学家试图在整个历史中测量光速。 伽利略试图测量十七世纪的光速。 早在1676年,丹麦物理学家OleRømer就开始测量光速.Rømer使用望远镜观测木星及其卫星之一Io的运动。 注意到Io轨道的明显周期存在差异,他计算出,光线需要大约22分钟才能穿越地球轨道的直径。 但是,它的大小当时还不知道。 如果勒梅知道地球轨道的直径,他会计算出2.27亿米/秒的速度。

另一个更精确的光速测量是在 欧洲 由Hippolyte Fizeau于1849年完成。斐索指导了一个光束在几公里外的一面镜子上。 旋转的嵌齿轮被放置在光束从光源传播到镜子的路径上,然后返回到其原点。 菲索发现,在一定的旋转速度下,光束会通过车轮中的一个间隙和返回途中的下一个间隙。 知道到镜子的距离,轮子上的齿数和旋转速度,Fizeau能够计算光速为3.13亿m / s。

LéonFoucault进行了一项实验,使用旋转反射镜在1862年获得了2.98亿m / s的值。Albert A. Michelson在1871年直到他的死亡时进行了光速实验。他在1926年使用改进的旋转改进了Foucault的方法镜子来测量从威尔逊山往返一趟所需的时间 安装 圣安东尼奥 在 加州 。 精确的测量产生了299,796,000米/秒的速度。

包含普通物质的各种透明物质中的光的有效速度小于真空中的速度。 例如,水中的光速约为真空中的3/4。

据说两个独立的物理学家团队通过将元素铷的玻色 – 爱因斯坦凝聚物传递给“完全停滞” 哈佛 大学 和罗兰大学科学研究所 剑桥 , 马萨诸塞 ,另一个在 哈佛-史密森 中央 天体物理学,也在 剑桥 。 然而,在这些实验中被“停止”的光的流行描述仅指光被存储在原子的激发态中,然后在随后的任意时间重新发射,如第二激光脉冲所激发的。 在它“停止”的时候,它不再是轻的。

光学
光与光与物质相互作用的研究被称为光学。 对诸如彩虹和北极光等光学现象的观察和研究为光的性质提供了许多线索。

折射

光线折射的例子。 由于光从空气进入液体时折射光线,吸管会弯曲。

折射是当光线穿过一种透明材料与另一种透明材料之间的表面时弯曲。 它由斯内尔定律描述:


其中θ1是光线与第一介质中的表面法线之间的角度,θ2是光线与第二介质中的表面法线之间的角度,并且n1和n2是真空中的n = 1的折射率,以及在透明物质中n> 1。

当光束穿过真空与另一介质之间或两种不同介质之间的边界时,光的波长改变,但频率保持恒定。 如果光束不与边界正交(或更正常),则波长的变化会导致光束方向发生变化。 这种方向的变化被称为折射。

镜头的折射质量通常用于操纵光线以改变图像的外观尺寸。 放大镜,眼镜,隐形眼镜,显微镜和折射望远镜都是这种操作的例子。

光源
有许多光源。 在给定温度下的身体发射黑体辐射的特征光谱。 一个简单的热源就是太阳光,太阳色球在大约6,000开尔文(5,730摄氏度; 10,340华氏度)时发射的辐射在电磁波谱的可见光区以峰值波长为单位绘制,约为太阳能的44%到达地面是可见的。 另一个例子是白炽灯泡,它们的能量只有可见光的10%左右,其余的则是红外线。 历史上常见的热光源是火焰中的发光固体颗粒,但它们也发射大部分红外辐射,仅在可见光谱中出现部分辐射。

黑体光谱的峰值位于深红外,大约10微米波长,用于人类等相对较冷的物体。 随着温度的升高,峰值移向较短的波长,首先产生红光,然后产生白光,最后产生蓝白色,随着峰值移出光谱的可见光部分并进入紫外光。 当金属被加热到“红热”或“白热”时,可以看到这些颜色。 除了星星之外,蓝白色的热辐射是不常见的(气体火焰或焊工的火炬中常见的纯蓝色实际上是由于分子发射引起的,特别是CH自由基(发射约425nm的波长带,并且在恒星或纯热辐射中看不到)。

原子发射和吸收特征能量的光。 这会在每个原子的光谱中产生“发射线”。 如发光二极管,气体放电灯(如霓虹灯和霓虹灯,水银灯等)和火焰(来自热气本身的光 – 例如钠气体火焰发出特有的黄色光)。 排放也可以被激发,如在激光或微波脉泽中。

自由带电粒子(如电子)的减速可以产生可见光辐射:回旋加速器辐射,同步辐射和bre致辐射都是这样的例子。 粒子在介质中的移动速度超过该介质中的光速,可能会产生可见的Cherenkov辐射。 某些化学品通过化学发光产生可见光辐射。 在生物体中,这个过程称为生物发光。 例如,萤火虫通过这种方式产生光,而通过水中移动的船只可以干扰产生发光尾流的浮游生物。

某些物质被更有活力的辐射照射时会产生光,这种过程称为荧光。 一些物质在通过更有力的辐射激发后缓慢发光。 这被称为磷光。 磷光材料也可以通过用亚原子粒子轰击它们而被激发。 阴极发光就是一个例子。 这种机制用于阴极射线管电视机和计算机监视器。

某些其他机制可以产生光:

生物发光
切伦科夫辐射
电致发光
闪烁
声致发光
摩擦发光

当光的概念旨在包括非常高能量的光子(伽马射线)时,其他生成机制包括:

粒子 – 反粒子湮灭
放射性衰变

轻压
光对物体的路径施加物理压力,这种现象可以由麦克斯韦方程推导出来,但可以通过光的粒子性质更容易地解释:光子撞击并转移它们的动量。 轻压力等于光束的功率除以光速。 由于c的大小,日常物体的光压的影响可以忽略不计。 例如,1毫瓦的激光指示器在被照明的物体上施加约3.3皮牛顿的力; 因此,可以用激光指示器提升美国便士,但这样做需要大约300亿个1mW激光指示器。 然而,在纳米机电系统(| NEMS)等纳米级应用中,光压的影响更为显着,利用光压驱动NEMS机制并翻转集成电路中的纳米级物理开关是一个活跃的研究领域。 在更大的尺度上,轻微的压力可能会导致小行星更快地旋转,以不规则的形状作用于风车的叶片上。 制造太阳帆的可能性将加速宇宙飞船的发展,目前也在研究之中。

虽然克鲁克斯辐射计的运动原本是由轻压引起的,但这种解释是不正确的; 特征克鲁克斯旋转是局部真空的结果。 这不应该与Nichols辐射计混淆,其中由扭矩(尽管不足以完全旋转抵抗摩擦)引起的(轻微)运动直接由轻压引起。 由于光照的压力,爱因斯坦在1909年预测到存在“辐射摩擦”,这将会阻止物质的运动。 他写道:“辐射会对板块两侧施加压力。 如果钢板静止,施加在两侧的压力相等。 但是,如果它在运动中,则会在运动过程中前面的表面(前表面)比在后表面上反射更多的辐射。 因此,施加在前表面上的压力的反作用力大于作用在后表面上的压力。 因此,由于两个力的合力,存在抵消板的运动且随板的速度增加的力。 我们简单地称之为“辐射摩擦”。“

关于光的历史理论,按照时间顺序
在公元前五世纪,恩佩多克勒斯假定一切都由四个元素组成; 火,空气,泥土和水。 他相信阿芙罗狄蒂使人的眼睛脱离了四种元素,并且她点燃了眼睛中的火焰,从眼睛中闪出,使得视觉成为可能。 如果这是真的,那么人们可以在白天和白天一样看到,所以Empedocles推测来自眼睛的光线和来自诸如太阳之类的光线之间的相互作用。

在公元前300年左右, 欧几里得 他写了Optica,在其中他研究了光的性质。 欧几里得 假设光线是以直线传播的,他描述了反射的规律并在数学上进行了研究。 他质疑这种视线是眼睛发出的光束的结果,因为他询问人们如何立即看到星星,如果闭上眼睛,然后在夜间打开它们。 如果来自眼睛的光束无限快地移动,这不是问题。

在公元前55年,罗克雷修斯,一位进行过早期希腊原子主义者思想的罗马人写道:“太阳的光与热,它们由微小的原子组成,当它们被推开时,在由推力施加的方向上的空气间隙“。 (来自宇宙的本质)。 尽管与后来的粒子理论相似,但Lucretius的观点并未被普遍接受。 托勒密(约2世纪)在他的着作“光学”一书中提到了光的折射。

古典 印度
在古代 印度 ,从公元前几世纪开始,Samkhya和Vaisheshika的印度教学校开发了光学理论。 根据Samkhya学派,光是五大基本“微妙”元素之一(tanmatra),其中出现了粗糙的元素。 这些元素的原子性没有具体提及,看起来它们实际上被认为是连续的。 另一方面,瓦西西卡学派在以太,空间和时间的非原子基础上给出了物理世界的原子理论。 (参见印度原子论)基本原子是地球(prthivi),水(pani),火(agni)和空气(vayu)中的原子。光线被认为是tejas(火)原子的高速流。 根据tejas原子的速度和排列,光的粒子可以表现出不同的特性。 毗湿奴普拉那将阳光称为“太阳的七条光芒”。

印度的佛教徒,如5世纪的Dignāga和7世纪的Dharmakirti,开发了一种原子论,它是一种关于现实的哲学,它由原子实体构成,它是瞬间闪烁的光或能量。 他们认为光是与能量相当的原子实体。

笛卡尔
勒内笛卡儿(1596-1650)认为,光是发光体的机械性质,拒绝伊本赫沙姆和维泰洛的“形式”以及培根,格罗斯特斯特和开普勒的“物种”。 1637年,他发表了一种光的折射理论,错误地认为光在密度较高的介质中比在较低密度的介质中传播得更快。 笛卡尔通过类比声波的行为来得出这个结论。 尽管笛卡尔对于相对速度是不正确的,但他认为光的行为像波浪一样正确,并认为折射可以通过不同介质中的光速来解释。

笛卡尔并不是第一个使用机械类比的人,但是因为他明确地断言光只是发光体和传输介质的机械特性,所以笛卡尔的光理论被认为是现代物理光学的开始。

粒子理论
皮埃尔加森迪(Pierre Gassendi,1592-1655)是一位原子论者,他提出了一种在16世纪60年代发表的光的粒子理论。 艾萨克·牛顿从小就对加森迪的作品进行过研究,并且更喜欢他对笛卡尔的全会理论的看法。 他在1675年的光假说中指出,光是由从源头向各个方向发射的粒体(物质粒子)组成的。 之一 牛顿 对光的波动性质的论证是,已知波浪围绕障碍弯曲,而光线仅以直线行进。 然而,他确实通过允许轻粒子可以在以太中产生局部波来解释光的衍射现象(Francesco Grimaldi观察到)。

牛顿 这个理论可以用来预测光的反射,但是只能通过错误地假设光进入密度较大的介质时加速来解释折射,因为引力较大。 牛顿 在他1704年的“光学”杂志中发表了他的理论的最终版本。他的声誉帮助光的粒子理论在18世纪保持摇摆。 光的粒子理论导致 拉普拉斯 认为一个机构可能如此之大以至于光线无法逃脱。 换句话说,它将成为现在称为黑洞的东西。 拉普拉斯 之后,在光的波浪理论被确立为光的模型(正如已经解释过的,无论是粒子还是波动理论都是完全正确的)之后,他就收回了他的建议。 翻译 牛顿 关于光的论文出现在斯蒂芬霍金和乔治FR埃利斯的大型时空结构中。

光线可以被极化的事实首次被定性地解释 牛顿 使用粒子理论。 Étienne-Louis Malus于1810年创建了一个数学极化的粒子理论。 1812年Jean-Baptiste Biot证明这个理论解释了所有已知的光偏振现象。 那时,极化被认为是粒子理论的证明。

波浪理论
为了解释颜色的起源,罗伯特胡克(Robert Hooke,1635-1703)在他的1665年的作品Micrographia(“观察IX”)中开发了一种“脉冲理论”,并将光线的扩散与水中波的扩散进行了比较。 在1672年胡克建议光的振动可以垂直于传播方向。 Christiaan Huygens(1629-1695)在1678年制定了一个数学波光理论,并在1690年发表在他关于光的论文中。他提出,光在所有方向上都是作为一系列波在一个叫做Luminiferous ether 。 由于波浪不受重力影响,因此假定它们在进入密度较大的介质时减速。

克里斯蒂安惠更斯。
波浪理论预测,光波会像声波一样相互干扰(如Thomas Young在1800年左右所提到的)。 年轻人通过衍射实验的方式表明,光线表现为波浪。 他还提出不同的颜色是由不同波长的光引起的,并用眼睛中的三色受体来解释色觉。 波浪理论的另一个支持者是Leonhard Euler。 他在Nova theoria lucis et colorum(1746)中指出,波浪理论更容易解释衍射。 1816年,André-MarieAmpère给了Augustin-Jean Fresnel一个想法,即如果光是横波,光的偏振可以用波动理论来解释。

后来,菲涅耳独立制定了他自己的光波理论,并于1817年将它提交给科学院。SiméonDenis Poisson在菲涅尔的数学工作中增加了一个令人信服的理论支持波理论,帮助推翻 牛顿 的粒子理论。 到1821年,菲涅耳能够通过数学方法表明,极化可以用光的波动理论来解释,只有光是完全横向的,没有任何纵向振动。

波浪理论的弱点在于光波像声波一样需要传播媒介。 惠更斯在1678年提出的假想物质光化以太的存在在十九世纪末期被迈克尔逊 – 莫雷实验强烈怀疑。

牛顿 的微粒理论暗示光在密度更高的介质中会传播得更快,而惠更斯等人的波动理论则暗示着相反。 那时光的速度无法准确测量,无法确定哪种理论是正确的。 第一个做出足够准确的测量的是1850年的LéonFoucault。他的结果支持了波动理论,而经典粒子理论最终被抛弃了,只是在20世纪部分重新出现。

电磁理论

线性偏振光波的三维呈现及时冻结并显示光的两个振荡分量; 相互垂直且与运动方向垂直的电场和磁场(横波)。
1845年,迈克尔法拉第发现,当光线沿着磁场方向传播时,线偏振光的偏振平面会在透明电介质存在的情况下旋转,此效应现在称为法拉第旋转。 这是光与电磁有关的第一个证据。 1846年,他推测光可能是某种形式的扰动沿着磁力线传播。 法拉第在1847年提出,光是一种高频电磁振动,即使在没有如乙醚这样的介质的情况下也能够传播。

法拉第的工作激励了James Clerk Maxwell研究电磁辐射和光线。 麦克斯韦发现自传播电磁波将以恒定速度穿过太空,恰好等于先前测得的光速。 由此,麦克斯韦得出结论:光是电磁辐射的一种形式:他在1862年首次在“力的物理线”中陈述了这个结果。 1873年,他发表了一篇关于电和磁学的论文,其中包含对电场和磁场行为的完整数学描述,即麦克斯韦方程组。 不久之后,Heinrich Hertz通过在实验室中产生并检测无线电波,证明了麦克斯韦理论的实验性,并证明这些波的行为与可见光完全相同,表现出诸如反射,折射,衍射和干涉等特性。 麦克斯韦理论和赫兹的实验直接导致了现代无线电,雷达,电视,电磁成像和无线通信的发展。

在量子理论中,光子被看作麦克斯韦经典理论中描述的波的波包。 需要量子理论来解释麦克斯韦经典理论所不能达到的视觉光效果(如谱线)。

量子理论
在1900年,马克斯普朗克试图解释黑体辐射表明,尽管光是一种波,但这些波只能在与其频率有关的数量上增加或减少能量。 普朗克称这些“光子”“量子”(从拉丁词“多少”)的“块”。 1905年,阿尔伯特爱因斯坦用光量子的概念来解释光电效应,并建议这些光量子具有“真实”的存在。 1923年,亚瑟霍利康普顿证明,当电子散射的低强度X射线(所谓的康普顿散射)出现时,波长移动可以用X射线的粒子理论来解释,但不是波动理论。 1926年,吉尔伯特N.刘易斯将这些光量子粒子命名为光子。

最终,量子力学的现代理论从某种意义上来说是光(从某种意义上)是一个粒子和一个波,而(从另一个意义上)是一种既不是粒子也不是波的现象(它实际上是宏观现象,例如如棒球或海浪)。 相反,现代物理学把光看作有时可以用适合于一种宏观隐喻(粒子)的数学,有时可以用另一种宏观隐喻(水波)来描述的东西,但实际上是不能完全想象的东西。 与无线电波和康普顿散射中涉及的X射线一样,物理学家指出,电磁辐射往往在较低频率时表现得更像经典波,但更像高频时的经典粒子,但从未完全失去全部一个或另一个的品质。 在频率中占据中间地带的可见光可以很容易地在实验中显示,可以使用波或粒子模型来描述,或者两者都可以描述。

在2018年2月,科学家们首次报道了发现一种可能包含极化子的新形式的光,它可能对量子计算机的发展有用。