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認(rèn)真閱讀下面的文章,，并思考文末互動(dòng)提出的問題,，嚴(yán)格按照 互動(dòng)：你的答案 格式在評論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由江西科學(xué)技術(shù)出版社 酷威文化提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《拓?fù)渑c物理》一本,。 對光的研究起源于古希臘,，在那里，哲學(xué)家們開始思考視覺是如何工作的,。柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯等思想家認(rèn)為,，我們的眼睛會(huì)發(fā)出微弱的光線進(jìn)行探測。這些光線將收集我們周圍物體的信息,，并以某種方式將這些信息帶回給我們,。
大約一千年后,，阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家阿爾哈曾（Alhazen）通過提出一個(gè)簡單的問題證明了這些哲學(xué)家的錯(cuò)誤：如果我們的眼睛能發(fā)光,，為什么我們在黑暗中看不見任何東西？ 阿爾哈曾提出了自己的視覺理論,。他認(rèn)為,，我們的眼睛不會(huì)創(chuàng)造光線而是捕捉光線。根據(jù)他的說法,，我們看見物體的圖像,，來自于從物體身上反射到我們的眼睛里的太陽光線。 阿爾哈曾的理論是對的,，我們身邊的物體都會(huì)反射光線,。這個(gè)理論同樣可以解釋為什么我們可以看到不同的顏色。當(dāng)我們將光線照射到玻璃棱鏡上時(shí)可以看到,，白光包含各種顏色的光,。例如，當(dāng)白光照射到一個(gè)紅蘋果上,，這個(gè)蘋果會(huì)吸收除紅光外的所有光,。這樣，紅光就可以被反射到我們眼中并讓我們看到這個(gè)蘋果,。我仍然沒有解釋光到底是什么,。讓我們先看一看維基百科給出的光的定義：所有的電磁輻射的頻譜被稱為電磁頻譜,?？梢姽馐遣ㄩL大約在380-700納米之間的電磁波。
電磁輻射是空間中以光速傳播的電和磁的振動(dòng),。電磁波和機(jī)械波（聲波,、湖面的水波等等）之間最大的區(qū)別是電磁波的傳播不需要介質(zhì)（比如水或空氣）。我們可以看到一根桿在空氣中往復(fù)運(yùn)動(dòng),。相應(yīng)的,，空氣粒子（黑點(diǎn)）也開始運(yùn)動(dòng),。它們之所以這樣運(yùn)動(dòng)，完全是由于壓力的作用,。粒子密度越大,，壓強(qiáng)就越大；粒子密度越低,，壓強(qiáng)就越小,。粒子總是從高壓區(qū)域移動(dòng)到低壓區(qū)域?？梢韵胂笠粋€(gè)氣球：對于吹飽的氣球,，氣球內(nèi)部的壓強(qiáng)高于氣球外部的壓強(qiáng)（相同空間量下的空氣粒子數(shù)）。當(dāng)你松開氣球的末端時(shí),，空氣粒子將被推出氣球,，氣球?qū)?huì)收縮。這表明空氣顆粒從高壓區(qū)域移動(dòng)到低壓區(qū)域,。如果仔細(xì)觀察移動(dòng)的粒子,，您可能會(huì)注意到每個(gè)粒子都在兩個(gè)依次出現(xiàn)高壓的區(qū)域之間來回移動(dòng)。正是這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了波動(dòng),。粒子本身不會(huì)從運(yùn)動(dòng)的桿那里移動(dòng)到人的耳朵,，但桿的能量可以。機(jī)械波只傳輸能量,，不傳輸質(zhì)量,。這些波需要介質(zhì)中的粒子來傳輸能量，然后這些粒子再把能量傳遞給其他粒子,。機(jī)械波的另一個(gè)形象的例子是倒下的多米諾骨牌,。正如前面提到的，電磁波的傳播不需要介質(zhì),，它們可以在真空中傳播,。電和磁是相輔相成的。甚至有一整個(gè)物理學(xué)的學(xué)科來專門研究它們之間的關(guān)系,，那就是電磁學(xué),。任意移動(dòng)的電荷都會(huì)產(chǎn)生磁場。例如,，當(dāng)電流在直導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng),，導(dǎo)線周圍就會(huì)形成一個(gè)電磁場。
如果想增強(qiáng)磁場的強(qiáng)度,，那么你可以把導(dǎo)線繞成線圈,。這正是電磁鐵的基本工作方式。
變化的磁場同樣可以產(chǎn)生電場,，進(jìn)一步可以產(chǎn)生電流,。
電流只有在磁鐵運(yùn)動(dòng)（磁場變化）的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生,。
既然知道了電和磁之間的基本關(guān)系，我們就可以重新思考電磁波了,。一個(gè)加速的帶電粒子（如一個(gè)電子）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場,，它的運(yùn)動(dòng)也可以產(chǎn)生一個(gè)磁場。這個(gè)磁場會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生另一個(gè)電場,，電場又會(huì)產(chǎn)生新的磁場,，電場和磁場就會(huì)這樣彼此激發(fā)下去。結(jié)果就是在空間中產(chǎn)生一個(gè)高速傳播的電磁波,。思緒有點(diǎn)跟不上了,？別擔(dān)心，我們來看一看接下來的解釋：加速電子可以通過在電線（天線）的中心放置交流發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn),，這可以在導(dǎo)線中產(chǎn)生交變電流,。前面我提到過，電荷的任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁場,。因?yàn)槲覀兊碾娋€中有電荷運(yùn)動(dòng),，所以電線周圍會(huì)形成磁場,，磁場周圍會(huì)形成另一個(gè)電場,，周圍的電場將再形成另一個(gè)磁場。于是產(chǎn)生了一個(gè)自發(fā)的,、隨時(shí)間變化的電場和磁場互相激發(fā)的過程,，電場和磁場會(huì)傳播到距離天線越來越遠(yuǎn)的地方。這樣我們就產(chǎn)生了電磁波,。
上面的圖只表現(xiàn)出電場線或磁場線中的一條。真實(shí)的電磁波可以用下圖表示,。矢量 E 代表電場,，矢量 B 代表磁場。現(xiàn)實(shí)中,，從天線出發(fā)的電磁波會(huì)向各個(gè)方向傳播,。通過控制電流在天線內(nèi)改變方向的速度，我們可以控制電磁波的頻率,。頻率越高,，波的壓縮程度越高（波長越小）,。波的頻率不影響波本身的傳播速度,。傳播速度始終等于光速。使用天線并不是產(chǎn)生電磁波的唯一方法,。電子從原子中的高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)同樣可以發(fā)出電磁波,?？梢钥吹剑谠觾?nèi)部,，電子圍繞原子核運(yùn)行,。電子離中心越遠(yuǎn),，其能級越高,。我們可以通過多種方式來向原子注入能量使電子遠(yuǎn)離原子核。但是,，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的,，被激發(fā)的電子將不可避免地回到其初始的能量狀態(tài)。剩余的能量（發(fā)射能量）隨后以光子的形式釋放,。根據(jù)電子釋放能量的大小,，光子也會(huì)攜帶或多或少的能量。但,，什么是光子,？光子是一種沒有靜質(zhì)量的粒子，它代表光最小離散的能量,。當(dāng)一個(gè)粒子的質(zhì)量足夠小時(shí),，它就會(huì)表現(xiàn)出像波一樣的特性。光子沒有靜質(zhì)量,，所以它表現(xiàn)得像波一樣,。但是，之前我們都說光是由電磁波構(gòu)成的,，現(xiàn)在為什么突然把它看成粒子了？為了更好地理解這一點(diǎn),，我們必須回顧一下持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)的關(guān)于光是波還是粒子流的爭論,。17世紀(jì),，艾薩克·牛頓進(jìn)一步發(fā)展了微粒理論,。在這個(gè)理論中，光是由微小光粒子組成的,。這些粒子以光速進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),。他可以利用這個(gè)理論來解釋光的反射和折射。但是,，微粒理論不能解釋光其他所有的性質(zhì),。例如，光會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣,。當(dāng)兩個(gè)（或更多）波相互干涉時(shí),，這些圖樣就會(huì)產(chǎn)生,。粒子流不能形成干涉圖樣，只有波的干涉可以產(chǎn)生,。此外,，不同波長的波可以解釋為什么可以看到各種不同的顏色，這是為什么光應(yīng)該是波而不是粒子流的另一個(gè)原因,?；谝恍╊愃频膶?shí)驗(yàn)，荷蘭科學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯的波動(dòng)論被廣泛接受,；在19世紀(jì),，詹姆斯·麥克斯韋甚至可以證明光是一種以光速在空間中傳播的電磁波。但是,，到了20世紀(jì)，像愛因斯坦等科學(xué)家做了一些新的實(shí)驗(yàn),。這些實(shí)驗(yàn)似乎表明光實(shí)際上是由粒子流組成的。他們做的最重要的實(shí)驗(yàn)與光電效應(yīng)有關(guān)：當(dāng)我們將光線照射到金屬上時(shí),，就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng),，電子會(huì)從金屬表面發(fā)射出來,。這些實(shí)驗(yàn)之所以特別,，是因?yàn)楫?dāng)你增強(qiáng)入射光的光強(qiáng),，發(fā)射出的單個(gè)電子的能量不變。光強(qiáng)只會(huì)改變發(fā)射出來的電子數(shù),。光強(qiáng)越強(qiáng),，發(fā)射的電子越多,。如果光是波的話不可能發(fā)生這種情況,。因?yàn)椋?dāng)波照射到電子上后,，電子會(huì)從光波中吸收能量,，同時(shí)抵消掉這部分光。這意味著增加光強(qiáng)可以增加每個(gè)發(fā)射電子的動(dòng)能,。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓科學(xué)家感到很困惑,。為了更好地了解發(fā)生了什么，他們保持入射光光強(qiáng)不變,，但改變光的頻率（不同的顏色）,。結(jié)果表明,，頻率越高，發(fā)射電子的動(dòng)能越高,。多虧了這些實(shí)驗(yàn),，使得愛因斯坦能夠解釋到底發(fā)生了什么。他說,，光不僅僅是一種波,，它由被稱為光子的離散波包組成。當(dāng)光子有足夠的能量時(shí),，它可以讓電子從金屬中溢出。光強(qiáng)越大,，越多的光子射向金屬表面,，因此從金屬中發(fā)射的電子也就越多。光的頻率越高,，每個(gè)光子的能量越高,，導(dǎo)致發(fā)射的電子具有更高的動(dòng)能。總之,，光既是一種波,，同時(shí)也是一種粒子流。在量子力學(xué)中,，這被稱為波粒二象性,。阿爾伯特·愛因斯坦在解釋完光電效應(yīng)后寫道：我們好像有時(shí)必須使用一種理論，有時(shí)必須使用另一種理論,，而有時(shí)我們可以使用其中任意一種,。我們面臨著一種新的困境。我們對現(xiàn)實(shí)有兩種相互矛盾的看法,；它們各自都不能完全解釋光的現(xiàn)象,，但把它們結(jié)合在一起，就可以解釋光是什么了,。 ——愛因斯坦 作者：Maarten De Baecke 圖片來源見原文
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