同樣是固體，為什麼有些是透明的，有些是不透明的，有些是半透明的？為什麼玻璃水晶和鑽石是透明的，金銀銅鐵不透明，玉石和某些陶瓷是半透明的？
著名的Arcot II 巨鑽石，設計師將光線的折射用到了極致
這些在我們身邊司空見慣的現象，背後卻潛藏著深奧的科學道理。今天，我將試著從「最物理」的角度、用最淺顯的語言來解釋這一現象。
關注我的朋友也許已經注意到，十天前我已經就玻璃透光的問題寫過一篇文章，為什么半個月不到又要就同一個問題再寫一篇？因為我經過兩個星期的思考後發現，要想把這個問題解釋透徹，量子物理是繞不過去的一個坎。為不留遺憾，決定續寫文章，以使透明的問題更加透明。
本文比較長，並且涉及量子力學的知識以及基於量子場論的分析，儘管我盡力避免使用公式和專業詞彙，但為了把問題交待清楚有些地方還是會顯得晦澀。如果你覺得讀起來太燒腦，直接看大標題、黑體字和最後的結論就好了。
什麼是光？討論透明，必然先要搞清楚光是什麼。學過物理的人都知道，光既是無質量粒子，同時又是電電磁波，光具有波粒二象性。
光是粒子，同時也是波
那麼電磁波是由無數光子組成的嗎？我們平時看到的光，是一顆一顆飛進眼球的光子嗎？這個說法並不準確，嚴格地說，電磁波是由無窮種攜帶著能量的光子疊加而成的。
在量子學中，光子又被稱為「光的能量子」或「能量子」。能量子的概念之所以重要，是因為量子學認為電磁場的能量是量子化的，只能一份一份地發射和吸收。而在經典物理學中會把電磁場的能量看作是連續的，不會刻意去定義「能量子」，於是統統當成光子。
「能量子」很重要，我們後面要用到。
什麼是固體？物質大多是由原子構成的。原子都有原子核和核外電子，大部分原子的核外電子有分層，原子通過其最外層的電子相互構成共價鍵來進行連接。因為固體中的共價鍵將原子之間緊密地固定在一起，粒子之間緊緊相扣，不容易移動位置，所以它的宏觀形態是相對固定的。
固體分為晶體、非晶體和準晶體三類，這三類固體都有可能透光。
冰是自然界最常見的固體之一
晶體在自然界中很廣泛，許多固體物質都是晶體，比如我們常見的鹽、白糖、冰、水晶、鑽石、鐵、銅等金屬。晶體又分許多種類，其中單晶體的粒子結構很規則，內部結構中的原子、原子團、離子、分子有規則地在三維空間呈周期性重複排列，組成一定形式的晶格，因此從外形上它會顯示出一定的形狀。
非晶體內部的分子排列是混亂無序的，它的物理特徵從各個方向上相同，所以稱「各向同性」，像玻璃、瀝青、珍珠、橡膠等屬於非晶體。嚴格意義上來說由於非晶體沒有固定的熔點，所以有些人並不認同玻璃是固體，只認為它屬於玻璃體。
工匠利用玻璃體的特性吹制玻璃器皿
準晶體是1982年新發現的金屬互化物，它既不是晶體也不同於非晶體。
光子能「穿過」固體嗎？我們透過玻璃看見陽光、看到窗外的風景，自然會認為光線是穿過了玻璃才照射進來。這似乎是個常識性問題，連幼兒園的小朋友都知道的。
問題是：眼見一定為實嗎？
光子很小，它是玻色子。如果把光子比作小綠豆，原子之間的空隙以及原子內部的空間就如同大廣場一般，似乎可以任意穿越。但有一個問題，光同時還是波，它是有波長的。
量子力學中的行波函數波長
我們知道，人眼可見光的波長大約在380～780nm之間，其頻率範圍大約為4.2×10^14～7.8×10^14Hz。固體原子核周圍的空間其實並不大，因為電子在原子核的外圍並非老老實實呆在某個位置，它們會以電子云的形式存在；原子間化學鍵的長度基本上在0.05nm以下；同時固體的厚度也遠超過可見光的波長。因此相對於可見光的波長來說，無論是玻璃還是磚頭，留給它的縫隙都太小了，因此光子在穿越固體的時候不可避免地會撞到粒子上。光子撞擊粒子會有三個結果：反射、散射或被「吸收」。光子的命運一方面取決於光子自身的特性，同時也取決於固體材料中粒子的特性。
電子很小，但它似乎無處不在
答案是：我們看到的透進來的光，跟窗外的光，它可能不是同一個光子。
光是怎麼透過固體的？在原子最外層的電子中總有幾個價電子比較活躍，它們容易跟外界發生作用。一旦攜帶著能量的光能量子進入到電子的運行軌道，它就可能與這些價電子發生耦合。
在晶體中，原子或分子是按一定的規律排列在晶格上的，因此原子間有相互作用；原子並非是靜止的，它們總是在相對固定的位置上不斷的振動。因此晶體原子的振動不是彼此獨立，它可以通過原子之間的作用力相互影響，這種影響類似一種彈性力，因此晶體存在「彈性波帶隙」。物理學家將這種量子化了的彈性波的最小單位稱為「聲子」，聲子其實是一種「準粒子」，它是為了便於分析問題而創造的一類概念，並不代表真有這種東西。聲子是玻色子，它也可以與光的能量子發生耦合。
光子與宏觀金剛石集體振動模（聲子）量子糾纏的示意圖
光子通過與電子和聲子進行耦合，從而在固體中進行傳輸。但這個時候的光子已經不再是光子了，它是一種全新的耦合態。這種耦合態不僅攜帶了光子的信息，它還與固體本身的屬性相關，不同的固體，它的電子和聲子的屬性不同，它們攜帶信息的能力及方式也會產生差異。於是我們看到有些固體對某些頻率的光不透明，某些頻率的光折射率更高。
當這種耦合態到達出射面時，它會解開耦合態，向外發射一個光子。這個光子所攜帶的信息與之前射入固體的光子信息非常相似，於是我們會覺得這似乎就是之前的光子。但實際上這是個不同的光子。
光將玻璃窗外的風景反射進來
為什麼有的固體不透明？在量子學中，有一個概念叫「能帶結構」，大致的意思是這樣：單個電子因為攜帶能量的不同有自己的能級；原子與分子之間因為最外層電子的相互作用有化學鍵；許多原子結合在一起，它們最外層的許多電子組合在一起就有了能帶結構。物質不同，其能帶結構各異，它們的電學和光學性質也就有了差別。
自由電子吸收、釋放光子與能量躍遷
在半導體固體中，當自由電子受到光照射時，光的能量子會被電子吸收耦合，從而將電子從低能帶激發到高能帶；與此同時，高能帶的電子有向下回落的趨勢，在回落的過程中，它們會向外釋放相應能量的光能量子；光能量子就以這種方式在半導體固體中傳遞。
低能帶與高能帶之間是有間隔的，這種能量的落差被稱為「能隙」。固體的性質不同，它們電子的能隙也不同。如果耦合的電子能量達不到能隙的寬度，它就不能完成躍遷，也就不能釋放光子，它對外就顯示不透明。
絕緣體由於幾乎沒有自由電子，相對於1.8到3.1個電子伏特的可見光能量，絕緣體的能隙很大，幾乎不會被光子激發，電子也不會釋放光子。這時候對於非晶體來說，光會以波的形式穿過；而對於晶體，光子會與聲子耦合進行傳遞。因此絕緣的非晶體和晶體是透明的。
玻璃窗內的兩隻貓
而對於金屬導體，由於在其原子的最外層擁有大量密集的自由電子，這些自由電子在金屬晶體的表面組成了一層「電子海洋」。當光子與金屬表面碰撞後，其電場會激發金屬表面的電子，使其發生彈性響應，於是光子大多數被反射出去，只有極少數光譜光子被吸收。那些與被吸收光量子耦合的自由電子，其躍遷主要發生在費米能級附近很小的能量範圍內，因此遠離能隙，它們只會產生熱能，不會激發出新的光子。所以金屬在理論上對可見光不透明。
鋁箔儘管只有0.005毫米厚，它依然不能被可見光穿過
有些看起來不透明的固體其實是透明的。石頭透明嗎？許多人會搖頭。但如果你將石頭切割打磨成薄片，就會發現其實它也是透明的。下圖是阿波羅11號帶回的月球巖石樣本，編號10020，當將其製成薄片後我們會看到這些含亞硫酸鹽、橄欖石、玄武巖的石頭其實也可以透光。
阿波羅11號帶回的月球巖石樣本薄片，編號10020
我們周圍有許多看似不透明的物體都與此類似，它們中間集合了許多很小的晶體，各種不同物質組成的多晶體和微晶體會在其晶界間產生複雜的漫反射關係，漫反射最終削弱了光線的傳輸，使其無法從另一端發射出來。於是我們看這些物體就是半透明或不透明的了。
光在固體內部晶界間漫反射
總結：物體是否透明與光有關，光的波長越短、頻率越高，光的能量子就越容易激發電子躍遷，從而「穿透」物體。對可見光不透明的鐵和鋁，對X光和γ射線就是透明的，因為一部分X光的波長小於原子間隙，γ射線的波長更短，它們可以輕鬆穿過。
物體是否透明與物體本身的性質有關，這些性質涉及其是否存在自由電子、晶體的排列、以及能帶結構。
光子因攜帶能量而被稱為能量子，能量子通過與電子和聲子的耦合作用在固體內部傳輸，傳輸以耦合釋放相似的光子結束，光是通過自由電子及聲子的「攜帶」而完成傳遞的。
金屬不透光是因為其表面大量自由電子反射了可見光，另一些與電子耦合的光子並不能使電子完成躍遷，從而無法釋放光子，這些光能最終因金屬原子加速振動轉變成了熱能。
迄今為止，我們沒有發現透明的金屬
關於固體是否透明的科學原理就介紹到這裡，你有什麼想法？歡迎在評論區留言討論。