太陽(yáng)發(fā)出的光與燈泡發(fā)出的光以同樣的速度行進(jìn)嗎？

光的復(fù)雜性質(zhì)引發(fā)了幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)關(guān)于其行為的爭(zhēng)論。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在電燈泡發(fā)明50周年之際發(fā)表演講,1929年10月,在柏林.ullstein圖像dtl。(圖片來(lái)源:ullstein image via Getty Images)

這個(gè)問(wèn)題的答案是肯定的:光(自然的或人造的)在真空中以大約30萬(wàn)公里/秒的有限速度行進(jìn)。光行進(jìn)時(shí)就像一個(gè)波(就像我們?nèi)邮^時(shí)在水中觀察到的波)或像一個(gè)粒子(像一個(gè)臺(tái)球)。光的這種復(fù)雜性質(zhì)已經(jīng)引發(fā)了幾個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在1905年確定光是由他稱(chēng)之為光子的粒子組成的,而德布羅意在1925年提出了波粒二象性。

那么，光是由什么組成的?電場(chǎng)和磁場(chǎng)。要了解這些領(lǐng)域是什么,請(qǐng)想象我們有兩塊磁鐵。你知道,根據(jù)它們的兩極之間的方向,如果我們把它們相反的兩極靠近,它們就會(huì)相互吸引,或者如果我們把相同的兩極靠近,它們就會(huì)相互排斥。這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生在磁鐵周?chē)奶囟▍^(qū)域,而不是距離更遠(yuǎn)的地方。磁場(chǎng)描述了這種現(xiàn)象發(fā)生的空間區(qū)域。在電場(chǎng)的情況下,它是類(lèi)似的。

為了讓您可以可視化它,請(qǐng)想想您用羊毛夾克的袖子反復(fù)擦拭的球體,如果我們將其靠近幾張紙,它會(huì)吸引它們。在這種現(xiàn)象發(fā)生的空間區(qū)域,其中不同性質(zhì)的電荷被吸引,相同性質(zhì)的電荷被排斥,這個(gè)空間就描述了電場(chǎng)?，F(xiàn)在想象一下,我們有一個(gè)隨著時(shí)間的推移而變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。事實(shí)證明,隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),反之亦然。也就是說(shuō),存在產(chǎn)生磁場(chǎng)的電場(chǎng)和產(chǎn)生電場(chǎng)的磁場(chǎng),而這導(dǎo)致波,電磁波,無(wú)限期地自我傳播并在空間中傳播。事實(shí)上,在太陽(yáng)上產(chǎn)生的光可以在真空中行進(jìn)數(shù)百萬(wàn)公里到達(dá)地球而不改變其性質(zhì),只有當(dāng)它遇到物質(zhì)時(shí),它才會(huì)變化:反射,折射,等等。

“有產(chǎn)生磁場(chǎng)的電場(chǎng)和產(chǎn)生電場(chǎng)的磁場(chǎng),這會(huì)產(chǎn)生波。”

這種電磁波像任何波浪一樣,具有我們稱(chēng)之為“波長(zhǎng)”的特征,即兩個(gè)連續(xù)峰之間的距離。根據(jù)這個(gè)距離,我們有不同類(lèi)型的電磁輻射。我們眼睛看到的可見(jiàn)光對(duì)應(yīng)于彩虹的顏色,從紫色(波長(zhǎng)為400納米)到紅色(約780納米)。我們談?wù)摰氖羌{米,這是一個(gè)微小的距離。為了想象一納米是什么,我們來(lái)看以下的例子:想象一個(gè)很小的橄欖在足球場(chǎng)的中間,現(xiàn)在縮小這個(gè)足球場(chǎng),直到它落在你的大拇指指甲。于是,橄欖的大小就只有幾納米。

這些長(zhǎng)度的波是人眼可以探測(cè)到的波。但除此之外,還有其他波長(zhǎng)小得多,能量更大的電磁輻射,如X射線,其大小與構(gòu)成物質(zhì)的原子相同;或者更大,更“柔和”,就像無(wú)線電波一樣,像建筑物的高度一樣長(zhǎng)。

太陽(yáng)和舊燈泡的區(qū)別在于,盡管它們都產(chǎn)生所有波長(zhǎng)的電磁輻射,但太陽(yáng)光的大部分能量對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)光,而燈泡只發(fā)出該范圍內(nèi)的一小部分。另一個(gè)主要以熱的形式“浪費(fèi)”(這就是為什么這些燈泡正在被主要發(fā)出可見(jiàn)光的LED所取代)。這種差異是由于太陽(yáng)和燈泡的溫度不同而導(dǎo)致的。

在太陽(yáng)中,有大量的氣體承受著極高的壓力和溫度(內(nèi)部15萬(wàn)攝氏度,表面5500攝氏度),在那里核聚變過(guò)程中產(chǎn)生了大量的能量。這種能量以電磁波的形式到達(dá)地球,在真空中以大約30萬(wàn)公里/秒的速度移動(dòng)。

所有太陽(yáng)輻射,無(wú)論其波長(zhǎng)如何,都以相同的速度傳播。在燈泡的情況下,我們有一個(gè)金屬長(zhǎng)絲,它被加熱到非常高(3,000°C)并發(fā)光。然而,它的溫度比太陽(yáng)低得多,這就是大多數(shù)能量對(duì)應(yīng)于人眼看不到的輻射的原因(主要是紅外線,這就是為什么我們不必在人造光下曬霜的原因)。也就是說(shuō),盡管看起來(lái)自然光和人造光是不同的,但它們都是“制造”的,受相同的物理定律支配,并且在空氣或真空中以每秒30萬(wàn)公里的速度移動(dòng)。

Sol Carretero Palacios是馬德里自治大學(xué)材料物理系物理學(xué)博士,研究員和教授。

通過(guò)電子郵件提出的Ismael Roberto Carranza Corzo問(wèn)題

組織與撰寫(xiě):Victoria Toro

BY: Sol Carretero Palacios

FY: SandraaaNiu

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