5　太陽在燃燒——光和光的傳播

知識導(dǎo)航

太陽是位于太陽系中心的恒星，它幾乎是熱等離子體與磁場交織著的一個理想球體。其直徑大約是1392020千米，相當(dāng)于地球直徑的109倍；質(zhì)量大約是1.98×10³⁰千克，是地球的330000倍，約占太陽系總質(zhì)量的99.86%。從化學(xué)組成來看，太陽質(zhì)量的大約3/4是氫，剩下的幾乎都是氦，包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質(zhì)量少于2%。太陽是地球生命的源泉，太陽以光的形式給大地帶來能量，光是人類生活感知世界的依據(jù)，光同時也是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。

光用現(xiàn)在的科學(xué)定義是：人類眼睛可以看見的一種電磁波，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明物質(zhì)中傳播。人的眼睛所能接受的光的波長為380～760納米，也就是可見光的波長范圍。光的來源有自然光和人造光，太陽是自然光源，是人類最重要的光源。

太陽光

人類對光的好奇之心一直都有，對光的本質(zhì)的研究從未停止。麥克斯韋在研究磁場與電場的轉(zhuǎn)變過程中發(fā)現(xiàn)，這些電—磁場會制造出一種波，他計(jì)算了這些波的速度，發(fā)現(xiàn)那正是光的速度！在1864年發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)后，他預(yù)言性地寫道：“這一速度與光速如此接近，看來我們有充分的理由相信光本身是一種電磁干擾。”這可能是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。麥克斯韋根據(jù)自己的研究提出了光的電磁學(xué)說，這個學(xué)說能夠說明光的傳播、干涉、衍射、散射、偏振等許多現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。17世紀(jì)牛頓提出光的微粒說，與牛頓同時代的荷蘭人惠更斯提出光的波動說，但是這些學(xué)說都只解釋了光的一些現(xiàn)象，還沒有完全找到光的本質(zhì)。根據(jù)前人的發(fā)現(xiàn)和總結(jié)，量子理論的建立，它認(rèn)為光具有波粒二象性，這將人類對物質(zhì)屬性的理解拓展開來。

麥克斯韋

隨著科技的發(fā)展，人類對光的認(rèn)識也更加完善，同是也開辟了光學(xué)的新天地——激光。激光光束中，所有光子都是相互關(guān)聯(lián)的，即它們的頻率一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致。激光就好像是一支紀(jì)律嚴(yán)明的光子部隊(duì)，行動一致，因而有著極強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。

激光光束

氖光燈的一種

知識放大鏡

光子理論

量子理論和廣義相對論相繼建立，物理學(xué)由經(jīng)典物理進(jìn)入了現(xiàn)代物理學(xué)。1905年，美國物理學(xué)家愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)，認(rèn)為紫外線在照射物體表面時，會將能量傳給表面電子，使之?dāng)[脫原子核的束縛，從表面釋放出來，因此愛因斯坦將光解釋為一種能量的集合——光子。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)屬性的理解完全拓展了。綜上所述，光的本質(zhì)應(yīng)該是“光子”，它具有波粒二象性。但這里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。

激光的原理早在1916年被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。1958年，美國科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)：將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終匯聚在一起的強(qiáng)光，他們提出了“激光原理”，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光——激光。1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光。1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一臺激光器由誕生，梅曼的方案是，利用一個高強(qiáng)閃光燈管來激發(fā)紅寶石，由于紅寶石在物理上其實(shí)只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時，就會發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。

激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。

激光燈

知識擴(kuò)展

“魚光”奇觀

海洋是人類現(xiàn)在有待開發(fā)的部分，也是人類了解最少的一個領(lǐng)域，在海洋的深處有這樣一群魚類，依靠身體上的發(fā)光器官發(fā)光。這些發(fā)光器官的構(gòu)造很巧妙，有的具有透鏡、反射鏡和濾光鏡的作用，會折射光線；有的器官內(nèi)的腺細(xì)胞，會分泌出發(fā)光的物質(zhì)，還有些魚是因?yàn)轸~體上附有共棲性的發(fā)光細(xì)菌，這些發(fā)光細(xì)菌在新陳代謝過程中會發(fā)出亮光。大多數(shù)魚類的發(fā)光器官分布在腹部兩側(cè)，但也有生長在眼緣下方、背側(cè)、尾部或觸須末端的。一支在加勒比海從事科研工作的考察隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了一種極為罕見的魚，在它的兩只眼睛之間有一種能發(fā)光的特殊器官，被稱為有“探照燈”的魚，這種魚只在1907年時在牙買加沿岸附近被捕獲過，科學(xué)家已查明，這種奇特的魚生活在海洋170多米的深處，它的光源是一種特殊的能發(fā)光的細(xì)菌，借助其“探照燈”這種魚能照亮其前方近15米遠(yuǎn)。