上帝的杰作系列之三:光


神说,要有光,就有了光。

                                                                                               —创世纪1章3节

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光,来自于神的爱。用现代科学家的说法,光来自于宇宙中的能量,是从起初的宇宙大爆炸开始,无形的光,有形的光,看得见的光,看不见的光,便从虚无中产生了。

用人类的智慧论起时间的起源,或者说这个宇宙的起源,奇点是必须的,或者说从无到有是必须的,因为我们没有办法衡量无限,无限的过去,无限的未来,是人的智慧无法测度的。听说过勒贝格测度吗,数学分析中专门用来对付无限的。

提起光,一些热词是必须亮一亮身份的:光子、光波、光谱、量子、颜色、光速…….

光子:又名光量子(Photon,light quantum),光子的概念是爱因斯坦1905年至1917年间提出的,光子通常用希腊字母 γ(音:Gamma)表示。

gz光的粒子化形象自古以来,易于理解和接受,想想光的反射现象,和一个乒乓球遇到障碍物后的表现何其相似呢,一个入射角等于反射角似乎代表了光运行的一切属性;另外,费马(Fermat) 光程最短原理指出,光从 A 点到 B 点,总是沿着最快的路径传播。这一神奇的定律一下子就把直线传播定律、反射定律、折射定律统一在了一起。不过,物理学家们并没有止步,进一步修正后的描述是:光总是沿着光程处于驻点(通常称导数等于0的点为函数的驻点)的路径传播。为什么会改进为这样?难道有光程极大的例子吗?不出所料,还真有这样的例子,动动脑筋吧。

一个非常有意思的现象是过去研究光的都是数学家,或者换种说法,过去数学家都对光有兴趣。光的神奇几何性质绝非寥寥几句即可描述的,还是自行理解吧,思考一个问题:为什么镜子里我们的像是左右颠倒的,而不是上下颠倒的?妙不可言啊。

用现代科学的术语描述光的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量,光子只能传递量子化的能量,即:E=hv,这里h是普朗克常数,v是光波的频率。对可见光而言,单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳,这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子,从而引起视觉。

光波:光具有波粒二象性,也就是说微观来看,由光子组成,具有粒子性,但是宏观来看又表现出波动性。

再来做个【惊异光学实验】:将下面这个圆形图片在白纸上打印出来,然后剪下来,找个陀螺,将黑白图形纸片粘贴到陀螺上面,快速旋转陀螺,惊异的现象会随之出现,黑白图形会幻化出彩色来,并且颜色会因人因速度而异。

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