光的科學——宇宙的心跳,定義了一切!

光是大自然的奇蹟之一，我們習以為常，因為我們每天都看到它。我們不僅看到了它，而且除了它什麼也沒看到。「看見」的定義是與電磁波相互作用，光子擊中我們的眼睛。光線是分散的，不同的波長表現出不同的顏色，我們看到的一切都是光的表達。

如果我們把光廣義地定義為電磁波譜上的每一種輻射，那麼我們能看到的光就更多了。我們的眼睛是一套探測器，可以探測電磁波，但只能探測到特定波長範圍內的電磁波。其他的波長的波可以藉助儀器「看到」。用不同波長的光來觀察宇宙可以讓我們看到人類無法看到的東西。

在不同波長下觀察到的銀河系。從頂部最長的無線電波到底部最短的伽馬射線。

光是一種波，但光也是一種粒子。每個粒子也是一個波，這就波粒二象性。就像電子一樣，當它在空間中傳播時，它表現得像波一樣，但當它被測量時，它可以作為單個粒子被探測到。

這兩種定義實際上只是同一情況的兩個方面，但光子包括電子等其他粒子的內部構造既不是波也不是電子，它們是一些我們還沒有完全理解的東西。

現代物理學中更完整的定義是將物質和能量最基本的組成單元定義為量子場，每個粒子都有一種類型的場。因此，每個基本粒子都有一個電磁場，一個上夸克場等等。

電磁力思維導圖

讓我們分開來看一看關於光概念的定義，首先從電磁波和電磁波譜開始。

作為電磁波的光

電磁波也是四種基本力之一——電磁力。力是一種以光速在空間中傳播的波。

當波在水中傳播時，我們可以把波的概念聯繫起來。當波穿過水時，水本身並不是沿著波的方向傳播的，當波穿過水時，水分子主要是上下運動。同樣地，電磁波是一個力場，當它穿過空間時，強度會發生振蕩。

與水波的類比有偏差。電磁波不需要物質介質就可以穿過，它可以在真空中的傳播。當光通過不同的介質，如水、空氣或玻璃時，它的速度比通過真空時要慢。儘管如此。

另一個不同是，電磁波由兩個相互垂直運動的波組成，電場和磁場沿同一方向傳播。這兩種波是相互跟隨的，所以當電場最大時，磁場也是最大的。

電磁波及其特性。

因此，電和磁是同一種力的一部分，而這種力與我們所看到的光也是同一種力。這都是相互聯繫的。

我們的視覺和光線探測

當我們用眼睛觀察時，我們能察覺到物體表面反射的光。我們的眼睛可以探測到反射的電磁波，波長在大約400到750納米之間。波長較短的是紫外線、x射線，波長最短的是伽馬射線和宇宙射線，波長較長的是紅外線、微波和無線電波。

與其他的電磁波譜相比，我們所能看到的光的電磁波長並沒有什麼特別之處。我們在光學波長中看到的顏色並不是一種普遍的屬性，它只是我們大腦的屬性。

我們的眼睛能適應來自太陽的光。如果我們的太陽是一顆巨大的藍色恆星，我們的視野可能在紫外線輻射範圍內，如果它是一顆紅矮星，我們可能看到的是紅外線。當然，我們的大腦也可以適應在這些波長中看到顏色。

剩下的電磁波譜

光譜中波長最短的是宇宙射線和伽馬射線，它們對我們的細胞來說是致命的，因為它們攜帶了足夠的能量來分解分子和細胞結構。

對於x射線，除非我們是超人，否則我們看不到x光，但是它們可以穿過我們身體的軟組織而不被阻擋，而骨頭會吸收它們，這就是為什麼我們可以用x光看到我們的骨骼。

紫外線的波長剛好低於我們的可見光譜，攜帶的能量比x射線少，但比可見光的能量多。幸運的是，大多數來自太陽的紫外線會被平流層的臭氧層吸收，否則，我們將會受到致命高能輻射。

波長略長於可見光的是紅外光。我們的身體也會以紅外黑體輻射的形式輻射熱量，有紅外視力的人可以在黑暗中看到我們的樣子。有些動物能看到紫外線或紅外線。如果我們能看到這些，世界肯定會變得更美好。也許更令人困惑。

將wifi信號描繪成不同的顏色。

光的強度與磁場中任一電場的振幅的平方成正比。強度可以寬泛地定義為在給定時間內通過給定區域的「光子數」。因為光是電磁波，但它也是光子粒子。

光粒子

光子被定義為電磁輻射的最小量子。與我們的宏觀世界不同，一個粒子只能有離散的能級，這就是量子力學。

一個粒子有一個可能被探測到的概率分布。在微觀世界中，粒子存在於所有這些位置的疊加中，直到被測量到一個特定的位置。我們可能只看到了宇宙的一小部分，因為我們看不到所有其他狀態的粒子。我們所觀察到的都只是多種狀態中的一種，而其他狀態在我們觀察時「坍縮」了。

光被定義為粒子

存在兩種基本粒子——玻色子和費米子。玻色子是四種基本力的載體，電磁力便是其中之一（其他三種是強力、弱力和引力）。所以從這個意義上說，粒子不僅是我們日常生活中所知的固體物質，而且所有物質之間可能的相互作用都是由基本粒子引起的。我們還沒有探測到引力子。

光子是可以攜帶的最小的能量包，其能量與光子的振動頻率成正比——E = hf。其中h為普朗克常數，f為頻率。

當兩個帶電粒子受到電磁力的吸引或排斥時，就可以認為是兩個粒子與一個虛擬光子不斷地交換能量。原子中帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子被電磁力捆綁在一起，因此你可以把它想像成一個虛擬光子在原子的「空空間」中來回交換。

光作為量子場

每種基本粒子都有一個場，最常見的例子是電場和磁場的相互作用。

當一個電子吸收了一個光子並被激發，我們把它看作是一種能量轉移，因為光子攜帶能量。宇宙是由粒子場組成的，它是電場和磁場的相互作用，其中磁場失去一個激發量子，而電場得到一個。

粒子，包括基本力，定義為激發粒子場

我們對宇宙的體驗是由光來定義的。電磁力不僅定義了我們的視覺，也定義了我們的其他感官。當我們接觸某物時，電磁力再次起作用。

電磁力是通過吸引帶負電荷的電子和帶正電荷的原子核使原子保持在一起的鍵。它也是使分子結合在一起的原因，通常是由帶正電荷的原子核共享電子云。固體中分子之間的電磁鍵將它們結合在一起，使固體不可穿透。

到達我們耳朵的聲音是骨骼產生的振動，最後，這些振動也只能通過電磁力推動其他粒子產生。嗅覺和味覺是被我們的大腦解釋的化學反應，最終，這些反應也是由電磁力引起的。電磁力是我們通過感官體驗物質宇宙的方式，不僅僅是我們的視覺，而是我們所有的感官。

光不僅對我們來說是基本的，對我們如何看待和定義宇宙來說也是基本的，而且它還具有定義宇宙的屬性。

這是愛因斯坦在1905年提出狹義相對論之前花很多時間來思考的問題。

光速是恆定的。與其他任何東西的速度不同，光速與觀察者無關！如果你開一輛200000 km / s的汽車並打開遠光燈，遠光燈光速仍將以300000 km / s的速度前進（相對於你）。這時，時空會被扭曲，時間就會減慢，空間會縮短。

光速總是恆定的，與觀察者的速度無關，空間和時間是可塑的。光是宇宙的主宰。

你走得越快，時間就顯得越慢。在光速下，沒有時間概念，時間停止。如果能把宇宙當作一束無質量的光束來體驗，你就能在一瞬間體驗到從大爆炸到宇宙終結的一切。時間只會被我們的質量和引力勢拉長。幸運的是，它至少給了我們一點時間去體驗由光本身所賦予的宇宙之美。