光是什么？
2019-03-02 · 致力于图书出版、影视IP
易书科技
光是什么
科学表明，光是地球生命的来源之一。光是人类生活的重要依据；光是人类认识外部世界的工具；光是信息的理想载体或传播媒质。那么，什么是光呢？
狭义上光是一种人类眼睛可以见到的电磁波，我们称之为可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性。
有实验证明，光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在红光的0.77微米到紫光的0.39微米之间。波长在0.77微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.39微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以，在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。
科学实验表明，光具有波粒二象性，既可把光看做是一种频率很高的电磁波，也可把光看成是一个粒子，即光量子，简称光子。
光波，包括红外线，它们的波长比微波更短，频率更高，因此，从电通信中的微波通信向光通信方向发展，是一种自然的也是一种必然的趋势。
一般情况下，光由许多光子组成，在荧光（普通的太阳光、灯光、烛光等）中，光子与光子之间，毫无关联，即它们的波长不一样、相位不一样，偏振方向不一样、传播方向不一样，就像是一支无组织、无纪律的光子部队，各光子都是散兵游勇，不能做到行动一致。
当光反射时，反射角等于入射角，在同一平面，位于法线两边，且光路可逆行。 对人类来说，光的最大规模的反射现象，发生在月球上。我们知道，月球本身是不发光的，它只是反射太阳的光。相传为记载夏、商、周三代史实的《书经》中就提起过这件事。可见那个时候，人们就已有了光的反射观念。战国时的著作《周髀》就明确指出：“日兆月，月光乃生，成明月。”西汉时人们干脆说“月如镜体”，可见对光的反射现象有了深一层的认识。《墨经》里专门记载一个光的反射实验：以镜子把日光反射到人体上，可使人体的影子处于人体和太阳之间。这不但是演示了光的反射现象，而且很可能是以此解释月魄的成因。
我们知道，当光线从一种介质斜射入另一种介质中，会产生折射。如果射入的介质密度大于原本光线所在介质密度，则折射角小于入射角。反之，若小于，则折射角大于入射角。但入射角为0，则无论如何，折射角为零，不产生折射。但光折射还在同种不均匀介质中产生，理论上可以从一个方向射入不产生折射，但因为分不清界线且一般分好几个层次又不是平面，故无论如何看都会产生折射。
比如说，鱼儿在清澈的水里面游动，可以看得很清楚。然而，沿着你看见鱼的方向去叉它，却叉不到。有经验的渔民都知道，只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到， 鱼叉叉向的是鱼的实像。
从上面看水，玻璃等透明介质中的物体，会感到物体的位置比实际位置高一些，这是光的折射现象引起的。
由于光的折射，池水看起来比实际的浅。所以，当你站在岸边，看见清澈见底，深不过齐腰的水时，千万不要贸然下去，以免因为对水深估计不足，惊慌失措，发生危险。
把一块厚玻璃放在钢笔的前面，笔杆看起来好像“错位”了，这种现象也是光的折射引起的。光到底是什么？这是一个值得研究和必须研究的问题。当今物理学研究已经达到了一个瓶颈，即相对论与量子论的冲突，光的本质是基本微粒还是和声音一样的波，对未来研究具有指导性作用。
光无时无刻不伴随我们左右，灯光、太阳光、星光以及动物本身发出的光，如萤火虫等。在开始进行光的分类之前，首先了解一下光源的含义。
自身能够发光的物体称为光源。而科学家们又将光源分冷光源和热光源。
那么什么是冷光源呢？冷光源是指发光不发热（或发很低温度的热）的光源。如萤火虫等。
反之，热光源就是指发光发热（必须是发高温度的热）的光源。如太阳等。
其实，在某些时候，光源也可以分为以下三种：
第一种是热效应产生的光，太阳光就是很好的例子。此外，蜡烛等物品也都一样。此类光随着温度的变化会改变颜色。
第二种是原子发光，荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光，此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的基本色彩，所以，彩色拍摄时我们需要进行相应的补正。
第三种是原子炉发光，这种光携带有强大的能量，但是我们在日常生活中几乎没有接触到这种光的机会。色散
关于色散，早在中国古代便有了与之相关的认识，它起源于对自然色散现象——虹的认识。
虹，是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象。中国早在殷代甲骨文里就有了关于虹的记载。战国时期《楚辞》中有把虹的颜色分为“五色”的记载。南宋程大昌（公元1123～1195年）在《演繁露》中记述了露滴分光的现象，并指出，日光通过一个液滴也能化为多种颜色，实际是色散，而这种颜色不是水珠本身所具有，而是日光的颜色造成的，这就明确指出了日光中包含有数种颜色，经过水珠的作用而显现出来，可以说，他已接触到色散的本质了。
我国从晋代开始，许多典籍都记载了晶体的色散现象。如记载过孔雀毛及某种昆虫表皮在阳光下不断变色的现象，太阳光照射云母片，经反射后可观察到各种颜色的光。李时珍也曾指出较大的六棱形水晶和较小的水晶珠，都能形成色散。到了明末，方以智在所著《物理小识》中综合前人研究的成果，对色散现象作了极精彩的概括。他把带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体将白光分成五色，与向日喷水而成的五色人造虹、日光照射飞泉产生的五色现象，以及虹霓之彩、日月之晕、五色之云等自然现象联系起来，认为“皆同此理”，即都是白光的色散。所有这些都表明中国明代以前对色散现象的本质已有了一定的认识，但也反映中国古代物理学知识大都是零散、经验性的知识。
那么，究竟什么是色散呢？
复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时，传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时便各自分散。
介质折射率随光波频率或真空中的波长而变，当复色光在介质界面上折射时，介质对不同波长的光有不同的折射率，各色光因折射角不同而彼此分离。1672年，牛顿利用三棱镜将太阳光分解成彩色光带，这是人们首次做的色散实验。任何介质的色散均可分正常色散和反常色散两种。
让一束白光射到玻璃棱镜上，光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一端是紫色，中间依次是橙黄绿蓝靛，这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光，称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。当光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。
光的传播
光在同种均匀介质中是沿直线传播的。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。光沿着直线传播的前提不仅是在均匀介质，而且必须是同种介质。当光遇到另一介质时，光的方向会发生改变，改变后依然沿直线传播。
光在非均匀介质中，一般是按曲线传播的。光按前后左右上下各个方向传播，光的亮度越亮，越不容易看出，当光亮度较暗时，由发光体到照明参照物的光会扩大，距离越远，扩散得越大，由最初的形状扩散到消失为止。
像我们生活中所发现的小孔成像、日食和月食的形成等都证明了光在均匀介质中沿直线传播这一事实。
光的速度
夏天打雷下雨时，有些人可能会很困惑，为什么在每次雷雨中，总是先看到闪电，后听到雷声呢？今天，我们就带着这个问题讨论一下光速。
所谓光速，就是光在单位时间内传播的速度。科学计算得出光在真空中的速度为30万千米/秒。通俗一点讲，就是光可以在一秒走60万里地，而我们知道声速只是335米/秒。这就是我们在打雷下雨时为何先看到闪电而后听到雷声的缘故了。
既然光速这么快，那么我们看距离我们1.5亿千米远的太阳需要多长时间呢？科学家得出的结论是约八分钟，即光从离我们1.5亿千米远的太阳上发射出来，到达地球大约需要八分钟。
其实，早在17世纪以前，天文学家和物理学家便认为光速是无限大的，宇宙恒星发出的光都是瞬时到达地球。1676年丹麦天文学家罗默，利用天文观测，测量了光速。1849年法国科学家斐索在实验室里，用巧妙的装置首次在地面上成功地测出了光速。1973年美国标准局的埃文森采用激光方法利用频率和波测定光速为（299792485+1.2）米/秒。经1975年第十五届国际计量大会确认，上述光速作为国际推荐值使用。1983年第十七届国际计量大会上通过米的新定义为“真空中光在1/299792458秒时间间隔内行程的长度。”
在人们测出光速之后，它便取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准，并且约定光速严格等于299792458米/秒，米被定义为1/299792458秒内光通过的路程，光速用“c”来表示。
超光速
超光速会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中，运动速度和物体的其他性质，如质量甚至它所在参考系的时间流逝等，密切相关。速度低于（真空中）光速的物体如果要加速达到光速，其质量会增长到无穷大，因而需要无穷大的能量，而且它所感受到的时间流逝甚至会停止（如果超过光速则会出现“时间倒流”），所以理论上来说达到或超过光速是不可能的（至于光子，那是因为它们永远处于光速，而不是从低于光速增加到光速）。但也因此使得物理学家（以及普通大众）对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。
所谓“时光倒流”就是光的多普勒效应， 并不是真的“时间”倒流，而是世界的感觉“倒流”。 多普勒效应根本上是由于波的传播速度是绝对的，只与介质有关，与声源和接受物体运动状况无关。 换句话说，波的传播应以介质作为参考系。 突破光速屏障时会有“光障”现象。可与超音速飞行类比，并不是不可能。
光速不变的条件是：介质稳定。因为在任何稳定的介质中，任何波的速度都不变，与参照系无关。当声波的介质相对于测量者静止时，无论声源速度如何变化，声速不变（只改变音频），这是著名的多普勒实验，其他所有机械波都有类似现象。
钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象，都可以用声音试验做出结果，这只能证明爱因斯坦的结论有问题，他忽略了测量速度的问题，把现象当成了物理本质。
经现在研究，表明已有超光速速度——某些恒星爆炸抛射碎片，其碎片运动速度已超过光速，但速度不固定，有快有慢。
不过，现在学术界仍称光速为最快速度。
光年
通常情况下，由于地球上的距离有些短，用千米来讨论就足够了。例如，地球距月球38万千米，太阳距地球1.5亿千米等。然而倘若我们用千米做尺度来衡量宇宙间距离的话，似乎有点不合时宜。于是，当我们去测量我们与许多恒星之间的距离时，我们发现不得不用一个非常巨大的数字来表达。正如科学家研究不同颜色的光的波长而发明一个特殊单位“埃”那样。所以科学家们发明了一个特殊的测量空间距离的单位，这就是光年。一光年就是光行走一年的距离。这是个很可观的数字，因为光一秒钟就走300000千米。一光年大约为 10万亿千米。距我们最近的亮星半人马座α星，也有4光年多。可见星系之间的距离有多远了。
光由太阳到达地球需时约8分钟（地球跟太阳的距离为8“光分”）。
已知距离太阳系最近的恒星为半人马座比邻星，它与太阳系的距离为4.22光年。
我们所处的星系——银河系的直径约为10万光年。 假设有一近于光速的宇宙飞船从银河系的一端到另一端，它将需要多于10万年的时间。但这只是对于（相对于银河系）静止的观测者而言，飞船上的人员感受到的旅程实际只有数分钟。这是由于狭义相对论中的移动时钟的时间膨胀现象。
微粒与波的争议
17世纪，以牛顿为首的学者认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。
19世纪，光的干涉、衍射、偏振等实验证明了光是一种波，麦克斯韦又提出了光是一种电磁波的理论，更完善了光的波动学说。
20世纪，人们对光到底是“粒子”还是“波”的问题进行了很长时间的探讨。最后统一了认识，光和所有其他微观粒子一样具有粒子性和波动性的两重性，光是一种波长很短的电磁波。而后来爱因斯坦的光子学说很好地解释了光电效应现象，从而确立了光的微粒性的牢固地位。如今，人们认识到：光是由叫做光子的微粒组成的，同时具有波动的性质——波粒二象性。
经过长期的探索，人们对光的认识越来越深入了，而且从发现光的波粒二象性起，人们已开始主动地去探索微观世界的奥秘。知识点
电磁波
电磁波，又称电磁辐射，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和伽马射线等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380纳米至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。
- 官方电话
乐视自动化
2024-09-18 广告
严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在红光的0.77微米到紫光的0.39微米之间。波长在0.77微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.39微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。
光具有波粒二象性，即既可把光看作是一种频率很高的电磁波（1012~1015赫兹），也可把光看成是一个粒子，即光量子，简称光子。
光有波的性质，其传播速度与电磁场传播速度相同，故可高速运动。
光又有粒子性质，然而光子的动量太小，除非非常大功率的激光照到你，否则你是不会有那种感觉的，如果有这么大的功率，那你估计已经被烤焦了。而且，这个“光子”是爱因斯坦提出的，是一种量子化的东西，而不是平常说的粒子，光的“粒子”说在三百多年前就被牛顿提出了。如果是没有什么阻尼，理论上是无限远。它撞到东西后，如果被全反射，当然动能内能均没有变化，如果被吸收一部分，当然是变成内能了，光的吸收的最简单模型可以参考课本上的氢原子玻尔模型理解。
最好也是最难的理解是在4维闵氏空间里去理解，就是把我们看到的三维世界当成四维的一个投影。因为闵氏空间里有一维是复值，故表现出奇异性质，即同时的相对性。然而，同时同地发生的事一定同时同地，因为这在四维中也是一个点，一个点投影到哪里都是一个点。
进入19世纪，由于光的干涉、微射和偏振现象的实验，有力地证明了光是一种波。特别是19世纪下半叶，麦克斯韦的理论预言了光是一种电磁波，并为实验所证实。这就完善了光的波动理论，从而巩固了光的波动说的地位。
20世纪初，为解释炽热物体辐射能量按波长分布这样重要的问题，普朗克提出了辐射的量子论，他认为各种频率的电磁波，包括光波，只能以完全的一定份量的能量向外辐射，这种能量微粒称为“量子”，光的量子称为“光子”。爱因斯坦指出了在光作用于物质时，光也是以光子为最小单位进行的。这样一来，光的微粒性(量子性)又提到了首位。20世纪20年代，德布罗意大胆地创立了物质波动学说，他设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系，并为实验所证实。光也不例外，它也具有波动性和微粒。从而结束了光到底是微粒还是波的争论，统一了对光的本性的认识。
光是电磁波，电磁波具有振动方向(偏振性)、频率波长和速度的属性。打个比方，如人跑步，人体方向相当光波的振动方向;左右脚各向前迈一步算一个周期，跑步就是这个周期的重复，一个周期走过的距离相当光波的波长;一秒内跑的周期数叫频率;很明显，波长和频率的乘积就是每秒跑过的距离，这是速度;因此，光波的频率与波长之积等于光速，在真空中的光速是每秒30万公里。同时，光也是量子(微粒)，光子具有偏振性、能量和动量;光子的能量与光波的频率成正比，或与波长成反比;光子的动量与波长成反比，其方向就是光波的传播方向。上述就是现代人对光是什么的回答。
人们对光的关注从人开始思考这个世界就开始了，因为我们就生活在光无处不在的世界中。在自然科学从宗教中分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。牛顿构建了经典物理学的大厦后，人类的科学思想得到突破，开始讨论类似你“光是什么?”的问题，并且在一定程度上取得了理论上的成果。牛顿时代，对这个问题的回答，存在“粒子学说”和“波动学说”两种声音。牛顿认为光是一种粒子，就像原子一样的小颗粒。光学史上的第一位伟大科学家，与牛顿同时代的惠更斯提出光是一种波的概念，而且提出了光学的惠更斯原理。两种声音中，历史证明惠更斯的思想正确指引了光本质的探讨。等到麦克斯韦将电磁波理论完全建立起来后，人们发现电磁波的速度就是光速，从而论证了光就是一种电磁波（场）。就在人们认为光就是一种电磁波，惠更斯在光学上完全战胜牛顿时，人类进入了20世纪。短短十年内，量子理论和相对论相继建立，物理学由经典物理进入了现代物理学。牛顿精神神奇的在量子理论中复活，量子理论的确立，很大原因建立于人们对光学的几个重要的波动学说无法解释的实验的理论研究。爱因斯坦提出光量子的概念，再次谈回光的粒子性的问题。至此，光是具有波粒二象性的物质成为理论上的妥协点。之后的意大利物理学家德布罗意更是提出所有物质都具有波粒二象性的理论，即认为所以的物体都既是波又是粒子。将人类对物质的属性的理解完全展拓了。
因此，不要小看你所问的光是什么的问题，你以为可以通俗解释的问题，伴随了人类思想的发展史，和物理学思想的数次大的重建。
严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在红光的0.77微米到紫光的0.39微米之间。波长在0.77微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.39微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。
光具有波粒二象性，即既可把光看作是一种频率很高的电磁波(1012~1015赫兹)，也可把光看成是一个粒子，即光量子，简称光子。
光是地球生命的来源之一。
光是人类生活的依据。
光是人类认识外部世界的工具。
光是信息的理想载体或传播媒质。
据统计，人类感官收到外部世界的总信息中，至少90%以上通过眼睛……
光就其本质而言是一种电磁波，覆盖着电磁频谱一个相当宽(从X射线到远红外)的范围，只是波长比普通无线电波更短。人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分。
当一束光投射到物体上时，会发生反射、折射、干涉以及衍射等现象。
光波，包括红外线，它们的波长比微波更短，频率更高，因此，从电通信中的微波通信向光通信方向发展，是一种自然的也是一种必然的趋势。
普通光:一般情况下，光由许多光子组成，在荧光(普通的太阳光、灯光、烛光等)中，光子与光子之间，毫无关联，即波长不一样、相位不一样，偏振方向不一样、传播方向不一样，就象是一支无组织、无纪律的光子部队，各光子都是散兵游勇，不能做到行动一致。
激光--光学的新天地
激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率(或波长)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。这就是为什么许多事情激光能做，而阳光、灯光、烛光不能做的主要原因
