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关于光,你可能不知道的八件事

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    关于光,你可能不知道的八件事

    光无处不在,但你对飞驰而过的光子有多少了解呢?

    关于光,你可能不知道的八件事

    1、光子可以在水或空气中产生像音爆(sonic boom)一样的冲击波。

    在真空中,没有什么比光跑得更快。然而,在空气、水、玻璃和其他材料中,光会慢下来,因为光子和介质中的原子发生了相互作用。这会产生一些有趣的结果。

    来自太空的能量最高的伽马射线撞击地球大气时,会比空气中的光速更快。这些光子会在空气中产生像音爆一样的冲击波,只不过会制造更多的光子而不是声音。一些天文台(比如亚里桑那的VERITAS)就在寻找这些次级光子,即切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)。在核反应堆里,核燃料周围的水中也会出现切伦科夫光。

    关于光,你可能不知道的八件事

    2、大部分光都对人眼不可见。

    “颜色”是我们大脑对光线波长的一种“翻译”。波长是指光在其波形出现重复前跑过的距离。但是我们看到的有色光(也就是可见光),仅仅是完整的电磁波谱中的一小部分。

    红光是波长最长的可见光,如果把它的光波继续拉长,就会得到红外线、微波(包括做饭用的微波)和无线电波。比紫光更短的波包括紫外线、X射线和伽马射线。波长也可以用来描述能量:无线电波的长波长拥有的能量低,而波长短的伽马射线能量最高。这也是伽马射线对于活体组织十分危险的一大原因。

    关于光,你可能不知道的八件事

    3、科学家可以对单个光子进行测量。

    光由一种名叫“光子”的粒子组成,光子是携带一定电磁场能量的小包。如果实验足够灵敏,研究人员可以对光子进行计数,甚至对单个光子进行测量。研究人员甚至曾暂时把光冻结。

    但是,不要把光子想像成台球。它们也有波一样的性质,可以互相干涉产生明暗条纹。光子模型是量子物理最早的成就之一;而后来的工作显示,电子和其他物质粒子也具有波动性。

    关于光,你可能不知道的八件事

    4、粒子加速器中产生的光子可用于化学和生物研究。

    可见光的波长比原子和分子的尺度大,所以我们实际上看不到物质的组成成分。然而,短波长的X射线和紫外线却适用于展示小尺度的结构。科学家使用观察高能光线的方法(如,原子吸收光谱分析)窥探原子世界。

    利用磁场加速电子,粒子加速器可以产生特定波长的光子,这种光子叫做同步辐射(synchrotron radiation)。研究人员利用粒子加速器制造X射线和紫外线,然后将这些光用于研究分子和病毒的结构,甚至可以对化学反应进行录像。

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    5、光是电磁力——自然界四种基本作用力之一——的表现形式。

    光子身上带有电磁力,而电磁力是四种基本作用力之一,其他三种分别是弱力、强力和引力。当电子穿过空间时,由于电性吸引或排斥,其他的带电粒子能够感应到它。因为这一效应受到光速的限制,其他粒子实际上是对电子过去的位置而非真实的位置作出反应。量子物理解释这一现象时,把真空描述成充满虚粒子的一锅沸腾的汤,穿过的电子踢了虚光子一下,虚光子就以光速前进并撞击其他粒子,交换能量与动量。

    关于光,你可能不知道的八件事

    6、光子容易产生,也容易消灭。

    不像一般的物质,所有东西都能够产生或消灭光子。假如你在电脑上看这篇文章,屏幕的背光正在产生向你眼睛飞来的光子,它们到达后便被吸收,也就被消灭了。

    电子的运动能够产生或者消灭光子,这也是大量光线产生和吸收的原因。电子在强磁场中的加速运动会产生光子。

    类似地,当一个合适波长的光子撞击一个原子时,它会消失,并且将自己所有的能量都用于把原子核外围的电子踢到新的能级上。而当这个电子落回原来的位置时,一个新的光子便产生并被释放出来。光子的吸收和发射使得每一种原子或分子具有独一无二的光谱,这是化学家、物理学家和天文学家用来辨别化学物质的主要方式。

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    7、当物质和反物质湮灭时,光是这一过程的副产品。

    一个电子和一个正电子拥有同样的质量,但是它们的量子性质(比如电荷)是相反的。当它们相遇时,电荷相互抵消,电子的质量被转换成能量,并以一对伽马射线光子的形式释放。

    关于光,你可能不知道的八件事

    8、光子碰撞可以产生粒子。

    光子的反粒子是它们自己。而有趣的一点是:支配光子的物理定律是关于时间对称的。这意味着,如果我们可以通过电子和正电子的碰撞来得到两个伽马射线光子,我们也应该能够通过两个能量合适的光子的碰撞来得到一个电子-正电子对。

    实际上这么做很困难:成功的实验一般会涉及其他的粒子,而不只是光子。然而在大型强子对撞机(LHC)里面,质子碰撞过程中产生的光子的绝对数量说明它们中的一部分有时候会相互碰撞。

    一些物理学家正在考虑建造一个光子-光子对撞机,通过将光子束发射入一个充满其他光子的腔体来研究碰撞产生的粒子。

    撰文 Matthew R. Francis

    插图 Sandbox Studio,Chicago with Kimberly Boustead

    翻译 金庄维

    审校 寒冬

    原文链接:https://www.symmetrymagazine.org/article/eight-things-you-might-not-know-about-light

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