太阳在燃烧

5　太阳在燃烧——光和光的传播

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太阳是位于太阳系中心的恒星，它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。其直径大约是1392020千米，相当于地球直径的109倍；质量大约是1.98×10³⁰千克，是地球的330000倍，约占太阳系总质量的99.86%。从化学组成来看，太阳质量的大约3/4是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。太阳是地球生命的源泉，太阳以光的形式给大地带来能量，光是人类生活感知世界的依据，光同时也是信息的理想载体或传播媒质。

光用现在的科学定义是：人类眼睛可以看见的一种电磁波，现代科学认为光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明物质中传播。人的眼睛所能接受的光的波长为380～760纳米，也就是可见光的波长范围。光的来源有自然光和人造光，太阳是自然光源，是人类最重要的光源。

太阳光

人类对光的好奇之心一直都有，对光的本质的研究从未停止。麦克斯韦在研究磁场与电场的转变过程中发现，这些电—磁场会制造出一种波，他计算了这些波的速度，发现那正是光的速度！在1864年发现这一事实后，他预言性地写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由相信光本身是一种电磁干扰。”这可能是人类历史上最伟大的发现之一。麦克斯韦根据自己的研究提出了光的电磁学说，这个学说能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多现象，但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质。17世纪牛顿提出光的微粒说，与牛顿同时代的荷兰人惠更斯提出光的波动说，但是这些学说都只解释了光的一些现象，还没有完全找到光的本质。根据前人的发现和总结，量子理论的建立，它认为光具有波粒二象性，这将人类对物质属性的理解拓展开来。

麦克斯韦

随着科技的发展，人类对光的认识也更加完善，同是也开辟了光学的新天地——激光。激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。激光就好像是一支纪律严明的光子部队，行动一致，因而有着极强的战斗力。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。

激光光束

氖光灯的一种

知识放大镜

光子理论

量子理论和广义相对论相继建立，物理学由经典物理进入了现代物理学。1905年，美国物理学家爱因斯坦提出了著名的光电效应，认为紫外线在照射物体表面时，会将能量传给表面电子，使之摆脱原子核的束缚，从表面释放出来，因此爱因斯坦将光解释为一种能量的集合——光子。1925年，法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论，即认为所有的物体既是波又是粒子。随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说，将人类对物质属性的理解完全拓展了。综上所述，光的本质应该是“光子”，它具有波粒二象性。但这里波的含义并不是如声波、水波那样的机械波，而是一种统计意义上的波，也就是说大量光子的行为所体现的波的性质。同时光具有动态质量，根据爱因斯坦质能方程可算出其质量。

激光的原理早在1916年被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现：将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终汇聚在一起的强光，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光——激光。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光。1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管来激发红宝石，由于红宝石在物理上其实只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

激光灯

知识扩展

“鱼光”奇观

海洋是人类现在有待开发的部分，也是人类了解最少的一个领域，在海洋的深处有这样一群鱼类，依靠身体上的发光器官发光。这些发光器官的构造很巧妙，有的具有透镜、反射镜和滤光镜的作用，会折射光线；有的器官内的腺细胞，会分泌出发光的物质，还有些鱼是因为鱼体上附有共栖性的发光细菌，这些发光细菌在新陈代谢过程中会发出亮光。大多数鱼类的发光器官分布在腹部两侧，但也有生长在眼缘下方、背侧、尾部或触须末端的。一支在加勒比海从事科研工作的考察队，发现了一种极为罕见的鱼，在它的两只眼睛之间有一种能发光的特殊器官，被称为有“探照灯”的鱼，这种鱼只在1907年时在牙买加沿岸附近被捕获过，科学家已查明，这种奇特的鱼生活在海洋170多米的深处，它的光源是一种特殊的能发光的细菌，借助其“探照灯”这种鱼能照亮其前方近15米远。