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打开手电筒后,再立即关闭,这条光线是直接消失了还是继续传播?

用户1915030548

在日常生活中,我们只有持续打开光源才会照亮四周,所以一般人认为只要关闭光源,光线就会立即消失。Cq8北方头条_头条新闻

晚上用手电筒向夜空中发射一道光,再关闭手电筒,在人的视线内都看不见光线了。那么问题来了,这条光线到底是消失了还是继续在宇宙中传播?Cq8北方头条_头条新闻

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如果消失了?又是怎么一种消失法?Cq8北方头条_头条新闻

事实上,解答这个问题很简单,只需要稍微提及一下量子力学的基础知识就迎刃而解。Cq8北方头条_头条新闻

光到底是什么?

这个问题从2000年的古希腊人到东方贤者都有所提及。Cq8北方头条_头条新闻

中国贤者─墨子早在2500年前就通过光学现象制作了世界上第一个“小孔成像”的实验。并得出光沿直线传播的结论Cq8北方头条_头条新闻

在200年后的西方,欧几里得就著写了《光学》,他设想光是沿直线传播的,并且用极简单的数学方式阐述了光的反射定律。Cq8北方头条_头条新闻

欧几里得Cq8北方头条_头条新闻

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但是欧几里得犯了一个极其幼稚的错误:他不能理解为什么只要眨一下眼就能看见星星,除非眼睛发出的光速度极快,抵达星星后再反射回到眼中。Cq8北方头条_头条新闻

这种常识性错误很多人在儿时都犯过,眼睛并不会发光,眼睛也没有速度,这是光线传到眼睛的结果。Cq8北方头条_头条新闻

当然欧几里得那个年代还不清楚物体发光的根本原因,我们也不必过分苛求古人。Cq8北方头条_头条新闻

人类最早对光的研究是总结光学规律,还并没有追问光的本质

最早关于光的本质问题的讨论要到2000年前的罗马人卢克莱修。他本身就是德谟克利特原子论的簇拥者。基于自己的信仰,他提出来光是一种极小微粒的结论。Cq8北方头条_头条新闻

这也是关于光的微粒说最早的代表。Cq8北方头条_头条新闻

随后皮埃尔•伽桑狄提出来光的粒子说,牛顿继承了这一学说。Cq8北方头条_头条新闻

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于此同时光的粒子说也占有一席之地。双方拉锯战持续了几百年。之前的文章已经阐述多次了,我不必过多赘述了。Cq8北方头条_头条新闻

不过关于光的本质的研究直到20世纪初才有了最科学的解释

现在我们都知道原子核外存在着电子。而电子在核外排布是按照能级分布的。Cq8北方头条_头条新闻

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我们把处于距离原子核近的低能阶电子轨道标识为E1,距离原子核远的高能阶电子轨道处于E2。Cq8北方头条_头条新闻

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电子不管是从E1到E2,还是从E2到E1都是跃迁行为,而不是移动行为。因为电子跃迁的没有连续性过程,而是直接跳跃。这的确很违背常识,不过量子力学的魅力就在于颠覆各种常识性思维。Cq8北方头条_头条新闻

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电子跃迁的过程都伴随着能量的吸收或释放。这种能量就是光子,其实光子就是光量子,是能量的载体。Cq8北方头条_头条新闻

量子力学中为什么要说光量子不可再分,是因为从E2到E1的过程就是分立的。这种分立值就光子的能量。Cq8北方头条_头条新闻

光子的能量hν=E2-E1。因为光子从E2到E1就没有渐变过程,那么E2与E1的差值就是不可再分的值。Cq8北方头条_头条新闻

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我们平时看到的光线基本都是来自电子跃迁释放的光子。Cq8北方头条_头条新闻

而跃迁行为又分为受激辐射和自发辐射。

手电筒发光就是受激辐射。一般情况下,原子核外的电子都在基态上,并不会发生高能量变化跃迁行为。Cq8北方头条_头条新闻

如果有外部能量摄入,基态上的电子就会吸收能量而跃迁到高能阶上,进而释放大量较高能光子。这也是手电筒发光的原理。Cq8北方头条_头条新闻

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白天,我们之所以能看到的物体,也都是基于受激辐射而来的。Cq8北方头条_头条新闻

万物都是由原子构成,太阳光发出光子抵达地球,原子核外的基态电子吸收太阳光再跃迁到高能阶上,并释放光子。这些光子传到人的眼睛就是这个物体反射的太阳光。Cq8北方头条_头条新闻

现在试想一下,晚上打开手电筒会释放一连串光子,光子如果射线墙壁,就会被墙壁内的核外电子释放,并释放光子,这样墙就被照亮了。Cq8北方头条_头条新闻

如果光线射向夜空中,一部分光子会被空气分子吸收,大部分光子会冲到宇宙中去,只要不遇见物质,那么光线就会一直传播下去。Cq8北方头条_头条新闻

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光子就是能量,所以光子凭空不会消失,而是被其他电子吸收再释放。Cq8北方头条_头条新闻

即便摄入我们眼睛的光线会在脑海中呈现出千变万化的形状和五彩斑斓,其本质只不过是光子的频率不同!光子在每一次吸收与释放的过程中,光子的频率会改变。所以携带的信息也会随之改变。这也就是解释了太阳光射向西瓜瓣上再反射回来就是红色果肉的信息了。Cq8北方头条_头条新闻

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射向宇宙中的光子有两个命运,一种是撞上普通天体或者星际尘埃被吸收。另一种命运就是被黑洞引力俘获,继而导致这束光线被永久束缚在黑洞里。除此之外,光线就会永久在宇宙中游荡。Cq8北方头条_头条新闻

除了受激辐射,光子也一直自发辐射出来。Cq8北方头条_头条新闻

任何温度超过绝对零度的物体都在辐射电磁波。而宇宙中没有哪个区域真是绝对零度。所以宇宙万物都在辐射电磁波。Cq8北方头条_头条新闻

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光子就是电磁波。在原子内部层面上,处于高能阶的电子也总跃迁到低能阶上,并释放光子。不过自发辐射释放的光子能量都很低,频率就低,波长就长。这个波长远高于可见光范围端的红光(人眼可识别的电磁波波长380nm(紫光端)~780nm(红光端))。Cq8北方头条_头条新闻

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所以我们几乎看不见物体自发辐射的光子。但是我们可以用红外夜视仪看见这些自发辐射出的光子。Cq8北方头条_头条新闻

另外需要补充一下,萤火虫和电鳐发光并不是自发辐射的光子。自发辐射的能量并不会那么大。这是它们体内的生物能量提供给电子的能量,严格来说就是受激辐射。Cq8北方头条_头条新闻

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