光之种种知多少?

我们都知道光，也离不开光，万物生长靠阳光、看东西要靠光等等。光对我们是如此之重要，所以文学作品中用“生活在黑暗中”来形容人们的莫大的痛苦。可见，光对我们来说甚至是性命悠关的！然而，光究竟是什么？光是怎样产生的？光的家族有多少成员？它们各自的脾气性格如何？各有哪些本领？人类怎样能更好地控制和利用光，让光这个大家族更多地为我们造福？相信这些问题能引起你的兴趣罢？如果是的，那么就点击以下各篇文章，你将会找到答案。

什　么　是　光？

虽然我们每天都在接触光、应用光，但要问道：光是什么？却很少有人能给出精确定义。在经典物理学上，粒子理论认为光是由一个个独立的光子构成的。到十七世纪晚期Christian Huygens提出了波动理论，认为光是一种特殊的波而不是粒子集合。1807年Thomas Young又用光的衍射行为进一步证实了这一理论。可就在人们决定接受新的波动理论的同时，却不知如何去解释用粒子理论很好理解的光的镜面反射行为。光到底是什么，是一种粒子，还是一种波？

1905年爱因斯坦提出了著名的光电效应，认为紫外线在照射物体表面时，会将能量传给表面电子，使之摆脱原子核的束缚，从表面释放出来，因此爱因斯坦将光解释成为一种能量的集合——光子。后人又将这一理论进一步深化，创建了量子物理，认为一切物质都具有波粒二相性，只是二者所占比例不同，所以光既是一种波，同时又是由一个个光子所构成。但光作为一种独特物质，它的波动性还是占主要方面。

为了更好地理解光的波动性，我们首先来看看大家熟悉的水波。虽然名为水波，它却不是由水构成的，而是由穿过水的能量形成，也就是说当你用手在水中滑动，使之形成水波由左向右传播，但这并不是左边的水向右运动的结果，而是你将自身的能量传递给水，它借助波的形式在水中传播，此过程中水分子只是上下振动并没有离开原来的位置。举一反三，所有的波都是运动的能量，传播时大多都需借助类似于水的不同的介质。光波也是如此，只是略微复杂一些，能量以电磁场的形式存在，可以不依靠介质在真空中传播。

与其他波相似，光波也有波长、频率等几个主要表征参数。我们平日熟悉的可见光、红外线、紫外线、x射线等说法就是光波按波长划分后的叫法，其中可见光的波长是在4000到7000埃（1埃＝十亿分之一米）之间，光谱右端波长最短的γ射线只有1埃，左侧波长最长的电磁波的却可以达到几个厘米甚至几米。根据公式：c（光速）＝λ（波长） X ν（频率）可知，光速作为一个定植，所以不同波长的光，频率也就不同。可见光的频率范围处在430万亿赫兹（红光）与750万亿赫兹（紫光）之间，整个光谱的频率却可小到十亿赫兹之下（电磁波），大到3 X 10 10 十亿赫兹之上（γ射线）。作为能量的一种传播方式，光能E = hυ（υ—频率），即波的能量与频率成正比，不同频率的波具有不同的能量，可见光中紫色光的能量最高，红色光的能量最低。

从机理上明白了光是什么之后，接下来我们就要解决光来自何处的问题？

光　子　的　产　生

由上节可知，光具有波粒二相性，是一种以电磁波形式传播的特殊粒子——光子，由光源产生，被各种物体反射、折射进入人眼，并被感知，所以我们才能看到周围的景物。但是什么样的物体才是光源，是不是所有的物体都能产生光子呢？光子的产生途径又是什么呢？

表面光子产生的途径很多，但归根结底遵循的都是一个机理——光电子理论。原子都是由原子核和核外电子构成，电子在自己的固定轨道上绕核旋转。根据能量最低原理，电子总是首先填充能量较低的轨道，处于稳定的基态；当获得一个额外能量，使它能够争脱核的束缚时，便可向高能量轨道跃迁，处于不稳定的激发态。此时该电子可通过向外辐射光子的形式降低自身能量回到基态，而光子的能量正好等于两个轨道能量之差。这种现象在我们日常生活中是非常普遍的，在很多工厂和公园中都可以看到发着黄光的钠气灯。学过化学的人都知道，钠原子核外有11个电子，分布在3个轨道上，最外层只有1个电子，称为3S电子，当它受到外界激发而发生跃迁时，会释放出波长为580纳米的光子，正好处于黄色可见光的波长范围。

激发原子最常用的方法是加热，当用喷灯加热一块马蹄铁时，它会随着温度的提高先变成红色，达到足够热时会变成白色。这是由于红色光的能量最低，少量的热量就可将电子激发到一个最临近的高能轨道，回归时便释放出能量较低的红光。继续加热，受激发的电子数目增加，跃迁到不同的轨道，回归时释放出不同能量的可见光，相互叠加便成为白光。利用这种原理，人们用不同的方式产生热，再激发不同的元素，制造出各种形式和色彩的灯：

钨灯：最常用的白炽灯的灯丝选用钨，具有很大电阻，通电可以产生很高的热量，同时灯泡中充满惰性气体防止灯丝氧化，可以产生亮度很大的白光。

汽灯：很多信号灯用天然气或煤油作为热源。

荧光灯：用电直接激发原子，而不是产生热量，可以防止额外的热量散失，达到节能的要求。

激光器：利用能量激发一种激光介质，产生特定波长的光。

化学灯：利用化学反应提供能量激发原子。

光　的　颜　色

大家最熟悉的光，当数无处不在的太阳光了，是它给了我们光明和温暖，可是要叫你形容一下它的样子，会是怎样？晴朗天气里是无色的，是白光；雨后天晴时，是七彩颜色的。太阳光会变色？事实不是这样的，在任何时候太阳光都是有颜色的，可见光谱里根本没有白光这一波段，它之所以呈现无色是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七种颜色的光叠加的结果。要证明这一点很简单，由于七种颜色的光的频在于率不同，相对玻璃的折射率不同，拿一个棱柱形的玻璃放在阳光下就会看到类似彩虹的七彩光，可继续使之通过另一个棱柱，这七彩光又会合成一线白光。受此启发人们找到了制造彩光的方法：

不同颜色光的叠加：既然七种不同颜色的光叠加可以合成白光，那么其中的几种叠加会产生什么样的结果呢？不妨让我们做这样一个实验，取三个手电筒，分别用红色、绿色和蓝色的彩纸遮住，来到一个黑暗的房间，让三柱光束相互叠加，便会发现红光和蓝光叠加会呈现红紫色，红光和绿光叠加会显示黄色，绿光和蓝光叠加会显示青色。而黄色和蓝色，红紫色和绿色，青色和红色分别叠加都会得到白光。

吸收特定频率的光：人们之所以看到某个物体的存在是由于该物体将光折射入人眼，并被其感受的结果，因此我们可以通过某些方法在物体折射光的时候，使之吸收某些特定的频率，这样到达人眼的只剩下了白光中的一部分，它们相互叠加就会显示出不同的颜色。油漆和染料就是利用这个道理，吸收某些频率的光，使物体在人眼中呈现不同的颜色。还有绿叶之所以呈现绿色也是由于叶片内的叶绿素能够吸收阳光中的蓝光和红光的结果。

为了更好的理解这种方法，我们可以自己在家做一个简单的实验，取一个黄色的香蕉和一个被蓝色彩纸遮盖的手电筒，然后进入一间黑暗的房间，将手电筒照在香蕉上，会看到什么？一个诱人的香蕉，不！你什么也看不见，因为香蕉皮可以吸收蓝色光，黑屋子里又没有其他光源，所以香蕉没有反射任何光进入你的眼睛，除了一束蓝色光柱，什么都看不见。再进一步验证可以取紫红色、青色和黄色三种颜料，像右图那样放置。会发现将黄色和紫红色调和在一起会得到红色，青色和黄色调在一起会显绿色，青色和紫红色调在一起显蓝色，这是部分频率的可见光被颜料吸收的结果。而将黄色和蓝色，红色和青色，紫红色和绿色分别调和都会得到黑色，此时所有可见光都被吸收掉。

说到此，细心的读者可能会发现，这个结果与我们美术老师所讲述的颜色调和的知识矛盾，老师告诉我们用蜡笔将黄色和蓝色画到一起会得到绿色，而不是上文所说的黑色，谁说得对呢？其实二者都对，差别在颜料的吸收能力上，平时所使用的蜡笔等颜料都不是很好的吸收剂，它们不能吸收掉所有的其他颜色（频率）的光，例如黄色的蜡笔只能吸收蓝色和紫色，而反射红色、橙色和黄色；蓝色蜡笔也只吸收红色、橙色和黄色，反射蓝色、紫色和绿色，所以用蜡笔将蓝色和黄色画到一起，会呈现绿色而不是黑色。

人类对光的控制

从科学进展的原动力上来说，研究一件事物，就是为了更好的应用它为人类服务，对光的研究也不例外。在从根本上掌握了光是什么，光是如何产生的，光的各种颜色等基本问题之后，人们开始使用不同的方法去控制光，以满足不同的需要。

透射：光在传播过程中如果遇到这样一种物质，其电子的激活能远远高于或远远低于光子的能量，所以不吸收任何光子，光可以毫不受影响地穿过，这就是光的透射。不过由于能量不同，一种物质对某种光是透明的，对其他光可能就是不透明的。例如高频的γ射线和x射线能够很容易的穿过玻璃，而低频的紫外线和红外线却被挡在一侧，这样就可实现对光的过滤。为了得到很好的单色光，许多光学仪器都使用滤波片，应用的就是这一原理。

吸收：与透射情况相反，当光波的能量与材料电子的激活能相近时，光子便会被电子吸收，使之能量升高，摆脱核的束缚，并通过碰撞将部分能量传给原子核，加剧核的运动，使物体的宏观温度上升。冬日穿深色服装就是为了最大限度的吸收太阳光，达到保暖的目的。

反射：不同材料的原子核对核外电子的束缚也是不同的，很多物质例如各种金属、玻璃的电子受束缚都比较弱，尤其是最外层电子，可以自由移动。此类电子吸收入射光子的能量之后运动加剧，并不把能量传递给临近的原子核，而是将能量以与光的形式反射出去，并与入射光的频率相同。人们从镜子中可以看到一个与实际完全相同的像，利用的就是这一原理。

折射：入射光的频率接近电子的本征振动频率时，会深入物体内部，引起电子的微小振动，将能量传给原子核，核再使光波以原来频率透出物体，但这个过程需要一定的时间，使得光同时在介质和空气中传播。由于速度不同，会在界面处形成一个折点。雨后彩虹的出现，就是大气对阳光折射形成的。

以上介绍的是光传播的最基本的原理，根据此我们可以选择不同的材料，设计不同的光路，以满足不同的需要。因此我们可以通过点亮一盏灯制造光，然后用黑沥青吸收以“消灭”它，也能够量度它，能改变其行进轨迹，甚至使它减速慢下来。利用光，我们可以推进空间飞行器，或者传输电话信号，此外还可以用它进行外科手术。如此看来，人们已经能完全控制光了，其实不然，人们过去一直很难做到：让光暂停，也就是说在光运行的轨迹上使其停止，然后完全按照原来的样子再将其释放。

让 光 暂 停

虽然在过去由于技术条件的限制，让光暂停被看成是不可能的，但最近随着各项技术的完善，科学家们已经明白如何去完成这样一件事了。就在去年，哈佛大学的物理学家们完成了一个实验。他们用激光照射一个充满原子蒸汽的玻璃容器中，激光进入容器后并没有出来，这并不是说激光被消灭或者吸收了，确切地说，它们是被“储存”起来了，只等科学家们一声令下就完好无损地重新出来。这个激光脉冲在进入容器之前足有数公里之长，但是它能够进入只有区区几厘米宽的容器中而且如此合适，这是魔术吗？当然不是，这就是量子效应。

截住光子这个“不可能完成的任务”是由两个团队完成的。一个是由隆·华斯沃兹（哈佛－史密斯天体物理研究中心）领导的，另一个是由林尼·郝（哈佛大学物理系）领导的。其中华斯沃兹的小组是利用加热的铷蒸汽进行实验的，而郝的小组则是利用超低温的钠蒸汽达到同样的目的。

哈佛大学的研究小组正是通过增加光子——构成光的微粒，没有质量的质量来达到截停激光束的目的。这个实验中需要两束激光束：一个控制束和一个信号束，信号束是用来被拦截的。首先利用控制束，华斯沃兹的小组使玻璃容器中的铷蒸汽具有散射性，也就是说光通过容器时的速度将对光的颜色有很敏感的依赖性（这在一定程度上与棱镜的原理相近，但具体的色散谱不相同）。在这样一个散射气团中，原子与光子进行强烈的相互作用，正是这种与原子间的反应有效地放慢了光子的速度，使其变得好像蠕动一般。物理学家称这样一个原子－光子系统为“极化对”。接下来，科学家们降低信号束的强度，直到“极化对”全部原子化了，即容器内没有光子了。但光子所留下的效应或者说印记还在——就表现在容器内的原子上。原子运动着，就像一个陀螺一样旋转着（物理学上称之为具有角动量）且有信息显示。而消失的激光脉冲其实是作为一个信号，在以原子自旋轴的上下方向以不同的形式存储起来了。而要释放这样一个存储的信号比较容易：只需把另一束激光直接入射到容器中就能将其释放。在不远的将来，这项技术将使原子与光子间量子信息的有效的、可逆的映射成为可能。

该技术的应用前景将是令人瞠目结舌的：假设你有一些信息存储在原子中，你可以将它映射到光信号中，然后将其传送到其它原子群，并在那里留下你的信息。这就是“量子通信”。量子通信将来可能会用于传送超级安全信息。量子世界的一个神奇之处即在于只要察看一个系统即已经改变其特性。换句话说，你想接触一份量子信息而不留下任何蛛丝马迹是不可能的。所以，你不可能截获一份信息，破译后又传送到接收者手中而不让其发现任何破绽。

这听起来是不是有点熟悉？如果你是“星际迷航”这一科幻系列的爱好者，会熟悉这种情形：每当科克船长要访问外星，他的传送机就通过光束将外星上的原子重新排列，以匹配其自身的分子形式。这可以说就是量子通信的一个极端例子。当然，很长时间之内，这样一种传送机都将只是科幻而已，但科学家们的工作无疑是向着这一方向前进了微小的一步。

在不远的将来，这项技术可能会带来一种新型的计算机——量子计算机。量子计算机存储和读取数据是通过控制单个原子的量子态（比如说自旋方向）来进行的。由于即便是只有针尖大的一块物质，其原子数目也是大的惊人，因此说，量子计算机的潜力简直无法估量。计算机的原理是二进制数字，也就是“０”或者“１”。量子计算机则是通过量子态的变化来纪录不同状态，举例来说，自旋轴水平代表“０”，垂直代表“１”。这样的计算机能够有效工作的一个前提就是能够截住光子，并改变其量子态，然后再次将光子释放。目前科学家按照此顺序进行的实验：入射激光改变了原子的量子态，而且由此原子释放的激光保留了这些改变的信息。

在这样一个奇异的世界中，科学家们随心所欲地拦截、捕捉和释放原子，真是奇妙无穷。