這個世界因為有光才變得更加豐富多彩,無論是白天還是黑夜,人類對光的依賴體現在方方面面。因為有光,我們可以更好地從事生產及勞動。通常情況下,當人們打開燈時,屋子也就亮了;當燈光熄滅時,屋裡也就黑了。於是,這就會給人一種感覺:當關閉燈源後,光線就會立即消失不見。
相信大家都有做過這樣一件事,那就是在夜晚時會拿著手電筒朝天空發射一道光芒,之後再把手電筒關掉。那麼,我們發射的這束光會去往哪裡呢?是在宇宙中傳播還是已經消散了呢?想要解開這個問題,我們需要回歸到物理學角度,從光的性質出發。
首先,我們需要明確知道光到底是什麼。其實,這個問題也困擾了人類很長時間,遠在2000年前的古希臘人還有中國古代名人都曾研究過。在春秋戰國時期,墨子就做過世界上第一個小孔成像的實驗,解釋了光的傳播現象,並認為光是沿著直線運動的。
過了200年後,西方著名學者歐幾裡得對光做了進一步的研究,並寫了《光學》一書。書中假設光是沿著直線傳播的,然後採用了一些簡單地數學方式論證了光的反射定律。不過,從現在看來,歐幾裡得對光的研究犯了一個很嚴重的錯誤,他沒有解釋清楚為什麼眨眼就可以看到星星。他以為是眼睛發出的光傳到了星星上,然後又通過星星反射回人眼中。
其實,人眼是不可能發光的,更不會產生什麼光速。所謂的眼睛看到光,其實是光線傳到人眼中。2000年前,羅馬人盧克萊修開始研究光的本質,他提出光是一種極小微粒的假說。隨後,有很多科學家都支持這種光的粒子說法,包括著名的物理學家牛頓。
最後,在當代社會科技手段的輔助下,人們才看清楚了光的本質。當人們深入到原子層面時,發現內部有原子核和外部的運動電子,而且電子的排布是有能量層級的,距離原子核越近能量越小。
當電子從低能軌道,也就是距離原子核近的地方移動到高能軌道上時,它不是連續運動逐步變軌過去的,而是直接躍遷過去的,可以理解為是跳躍到下一個軌道。而且電子在軌道跳躍時會產生能量吸收或者釋放過程,而所謂的能量其實就是我們說的光子,也是光能量。
所以,我們肉眼看到的光線基本上都是光在軌道躍遷時產生的能量,也就是光子。而能引發電子發生軌道躍遷行為的背後動力可以分為兩大類,一類是受激輻射,另一類是自發輻射。
比如手電筒打開時,這時產生的光子是一種受激輻射。手電未開啟前,原子核外電子都在基本狀態下,保持著相對的平衡。而當有外部能量注入時,原來的電子就會因為吸收了能量而從基態位置躍遷到更高階的位置上,這個過程產生了能量釋放,因而出現了光。
以上,就是手電筒的發光的過程解析。所以回到最初的問題,當我們在晚上打開手電筒時,光束會在空氣中傳播,但空氣中會有其它的物質吸收光子釋放的能量。因此,光能量在傳播的過程中會逐漸衰減。此外,手電光也不會一直傳播下去,除非在沒有任何介質的環境下,而且還要保證有源源不斷的能量供用。