自然光，人造光，谁人更胜一筹？

太阳发出的光与灯泡发出的光以同样的速度行进吗？

光的复杂性质引发了几个世纪以来关于其行为的争论。

阿尔伯特·爱因斯坦在电灯泡发明50周年之际发表演讲,1929年10月,在柏林.ullstein图像dtl。(图片来源:ullstein image via Getty Images)

这个问题的答案是肯定的:光(自然的或人造的)在真空中以大约30万公里/秒的有限速度行进。光行进时就像一个波(就像我们扔石头时在水中观察到的波)或像一个粒子(像一个台球)。光的这种复杂性质已经引发了几个世纪的争论。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年确定光是由他称之为光子的粒子组成的,而德布罗意在1925年提出了波粒二象性。

那么，光是由什么组成的?电场和磁场。要了解这些领域是什么,请想象我们有两块磁铁。你知道,根据它们的两极之间的方向,如果我们把它们相反的两极靠近,它们就会相互吸引,或者如果我们把相同的两极靠近,它们就会相互排斥。这个现象发生在磁铁周围的特定区域,而不是距离更远的地方。磁场描述了这种现象发生的空间区域。在电场的情况下,它是类似的。

为了让您可以可视化它,请想想您用羊毛夹克的袖子反复擦拭的球体,如果我们将其靠近几张纸,它会吸引它们。在这种现象发生的空间区域,其中不同性质的电荷被吸引,相同性质的电荷被排斥,这个空间就描述了电场。现在想象一下,我们有一个随着时间的推移而变化的电场或磁场。事实证明,随时间变化的电场会产生磁场,反之亦然。也就是说,存在产生磁场的电场和产生电场的磁场,而这导致波,电磁波,无限期地自我传播并在空间中传播。事实上,在太阳上产生的光可以在真空中行进数百万公里到达地球而不改变其性质,只有当它遇到物质时,它才会变化:反射,折射,等等。

“有产生磁场的电场和产生电场的磁场,这会产生波。”

这种电磁波像任何波浪一样,具有我们称之为“波长”的特征,即两个连续峰之间的距离。根据这个距离,我们有不同类型的电磁辐射。我们眼睛看到的可见光对应于彩虹的颜色,从紫色(波长为400纳米)到红色(约780纳米)。我们谈论的是纳米,这是一个微小的距离。为了想象一纳米是什么,我们来看以下的例子:想象一个很小的橄榄在足球场的中间,现在缩小这个足球场,直到它落在你的大拇指指甲。于是,橄榄的大小就只有几纳米。

这些长度的波是人眼可以探测到的波。但除此之外,还有其他波长小得多,能量更大的电磁辐射,如X射线,其大小与构成物质的原子相同;或者更大,更“柔和”,就像无线电波一样,像建筑物的高度一样长。

太阳和旧灯泡的区别在于,尽管它们都产生所有波长的电磁辐射,但太阳光的大部分能量对应于可见光,而灯泡只发出该范围内的一小部分。另一个主要以热的形式“浪费”(这就是为什么这些灯泡正在被主要发出可见光的LED所取代)。这种差异是由于太阳和灯泡的温度不同而导致的。

在太阳中,有大量的气体承受着极高的压力和温度(内部15万摄氏度,表面5500摄氏度),在那里核聚变过程中产生了大量的能量。这种能量以电磁波的形式到达地球,在真空中以大约30万公里/秒的速度移动。

所有太阳辐射,无论其波长如何,都以相同的速度传播。在灯泡的情况下,我们有一个金属长丝,它被加热到非常高(3,000°C)并发光。然而,它的温度比太阳低得多,这就是大多数能量对应于人眼看不到的辐射的原因(主要是红外线,这就是为什么我们不必在人造光下晒霜的原因)。也就是说,尽管看起来自然光和人造光是不同的,但它们都是“制造”的,受相同的物理定律支配,并且在空气或真空中以每秒30万公里的速度移动。

Sol Carretero Palacios是马德里自治大学材料物理系物理学博士,研究员和教授。

通过电子邮件提出的Ismael Roberto Carranza Corzo问题

组织与撰写:Victoria Toro

BY: Sol Carretero Palacios

FY: SandraaaNiu

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