老叶科普堂（二）：光到底是什么？

今天要介绍跟我名字有关的东西，我的父母亲太厉害了，他们早就预言我将在中国发光，所以帮我取名叫“国光”，他们的期许让我来到中国大陆这块福地，也许不能达到他们的要求，但是我会努力再努力，不愧这个他们给我取的名字，所以今天的主题出来了，就是“光”，由于它的本质是电磁波，所以我把这两个最常在生活中听到，让文科生最难懂的东西合并在一起介绍，希望我的这篇文章可以让你们更了解这些科学的简单道理。

◆2.1 光(Light)

最近世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，为什么要用“墨子号”？大家可能不相信，第一个描述光的科学书籍是我们的老祖宗，他是战国时代的墨子，大约两千四百多年以前，墨翟（墨子）和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验，《墨经》中这样纪录了小孔成像：“景到，在午有端，与景长，说在端。”；“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也”。

这几句话不但解释了小孔成倒像的原因，也指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。从近代科学的萌芽到二十世纪初，光是波还是粒子，这个争论几乎持续了四百年，直到爱因斯坦一锤定音，他说光是粒子也是波，光有波动与粒子的双重特性，这时候光的所有谜团才完全解开。

墨子与爱因斯坦都是伟大的科学家与哲学家，墨子的兼爱非攻思想与爱因斯坦反对将科学成果用于战争提倡科学和平用途的理念，都是反对战争，爱好和平的伟大人物，也许冥冥中喜欢研究“光”的人都有这样的特质吧！

▲2.1.1 光的特性

波动是解释光为什么干涉与衍射最好的理解方法，我们先从基础的波动说起吧：想想中小学的时候，我们对波的想象是大海的波浪，我们对波的了解是声音，波的特征有波长，振幅与频率，这三个参数可以从我们日常生活的声音来理解。

大家以前应该都有将水倒入水瓶的经验，如果有注意倒入水之后回声声音的细节，就可以发现随着水瓶水位越来越高，回音声音会越来越尖锐，我们就用这个生活的细节来解释波，我们如果把水倒入水瓶，随着水瓶的水位越来越高，声音会越小，水位的高低影响声音的大小，这是因为水的位能转化为往下冲击的动能会影响声波的振动幅度大小，振幅就是声音音量的大小。

水瓶装的水越多，所能容纳的驻波就会变短，这表示声音的频率越来越大，音调越来越高越尖锐，频率就是单位时间震动的次数。当然还有一个参数是波长，波长和频率是描述波的最重要的参数，波与波之间距离越宽，表示频率越低，波长与频率呈现反比的关系，这也就是为什么倒水的声音会随着水位越来越满，声音会越来越小声而音频越来越高，声音越尖锐的原因了。

（△图一 驻波的原理图，我们可以想象声音在水瓶里面形成驻波，就像吉他的弦产生驻波共振的声音，丁瓶在水进入的时候声音最大，振幅最大，弦最长，所以音频最低，甲瓶水进入最多，弦越短，驻波波长越短，声音越高尖锐）

粒子说是解释光的反射折射与黑体辐射光量子化的最好理解的模型，牛顿认为光是粒子最大原因就是白光的三菱镜实验，彩虹也可以用这个理论来解释，折射产生的原因是光通过不同物质时候的速度不同造成的，利用粒子说解释光的折射也比较容易让人理解。

就像你开辆车在硬质路面快速行驶，当你斜向驶向沙地的时候，因为一个轮子先进入沙地，它的速度立即减慢，而另一个轮子还在硬质路上还保持原速，于是整辆车的方向就发生了偏转，同理光由空气进入水或玻璃这些比较密的介质会产生光速减慢因而产生偏折的折射现象。但是十八世纪后越来越多的实验证实光是波动的理论无可辩驳，尤其是光进入双狭缝会有干涉现象，光进入单狭缝会有衍射现象，这都是光是波动无可辩驳的实验。

▲2.1.2光的波长(Wave Length)

光是一种「电磁波(Electromagnetic wave)」，电磁波是由「电场(Electric field)」与「磁场(Magnetic field)」交互作用而产生的一种「能量(Energy)」，这种能量在前进的时候就像水波或声波一样会依照一定的频率不停地振动。光波(电磁波)具有振幅(Amplitude)、 波长(Wavelength)与频率(Frequency)。

其中最重要的特性就是：光波的波长与频率成反比；频率与能量成正比；波长与能量成反比，通俗的说光的频率或波长决定它的颜色，而波的振幅决定亮度，你可以把光色彩的色调与亮度和声音的频率与音量画上等号，这样的理解是行得通的。

•2.1.2.1波长的单位

「波(Wave)」基本上是能量沿着某一个方向前进所造成的现象，例如：当我们将一块石头丢入水中，由于石头将本身的动能转换成另外一种型式的能量，因此这个能量会使水面以「水波」的型式向四面八方扩散；当我们以手抖动一条绳子，由于手抖动将动能转换成另外一种型式的能量，因此这个能量会使绳子以「绳波」的型式沿着绳子的方向传播；同理，光波本身也是一种能量，因此也会以「光波」的型式沿着某一个方向前进。

波长(Wavelength)是使用在波动力学的名词，其单位与长度的单位相同，通常使用「微米(μm)」或「纳米(nm)」，微米与纳米之间的关系如图二所示，图二中的每一个刻度相差10倍，毫米(mm)、微米(μm)与纳米(nm)各自相差三个刻度，因此相差1000倍。一般人类头发的直径(头发的粗细)大约100μm，换句话说，1μm相当于人类头发直径(头发粗细)的百分之一而已。

（△图二 微米与纳米之间的关系）

•2.1.2.2波长的定义

波长(Wavelength)：波长是指光波的波峰到波峰的距离，如图三所示，光波的波长很小，通常以「微米(μm)」或「纳米(nm)」为单位，例如：红光的波长约为0.78μm(等于780nm)，紫光的波长约为0.38μm(等于380nm)。

（△图三 光波的波长与频率的关系）

▲2.1.3光的频率

频率(Frequency)：频率是指光波一秒钟振动的次数，单位为「赫兹(Hz)」，如图三所示。这是为了纪念伟大的德国科学家赫兹证实了马克思威尔的电磁波预测，因此波的频率单位是赫兹Hz，表示每秒波动震动的次数。

▲2.1.4光的速度


光速(Velocity of light)：光波前进的速度称为「光速」，其值固定为3×108公尺／秒，因此不论波长与频率是多少，光速都是固定的，换句话说，1秒钟内不同波长与频率的光波前进的距离一定相同，因为光波前进的速度(光速)是固定的。


假设有两种不同波长与频率的光波1秒钟内前进了相同的距离，如图X所示，当光波的波长较长，则1秒钟振动2次，其频率较低(为2Hz)，如图三下所示；当光波的波长较短，则1秒钟振动4次，其频率较高(为4Hz)，如图三上所示，由此可见，光波的波长愈长，1秒钟内振动的次数愈少，频率愈低；光波的波长愈短，1秒钟内振动的次数愈多，频率愈高。光波(电磁波)的波长与频率的换算公式如下：

其中光速固定为c=3×108公尺／秒，将光波的波长代入即可求出频率，由公式可以看出，波长愈长(分母λ愈大)，则频率愈低(其值ν愈小)；波长愈短(分母λ愈小)，则频率愈高(其值ν愈大)，显然「光波的波长与频率成反比」。振幅(Amplitude)：振幅是指光波振动幅度的大小，代表光的强度，如图三所示。光波的振幅大小与波长或频率无关，振幅愈大则看起来愈亮；振幅愈小则看起来愈暗。

于是我们有了一个小结论：

．光波的波长与频率成反比；频率与能量成正比；波长与能量成反比。

．光的波长愈长(例如：红光)，则频率愈低，能量愈低。

．光的波长愈短(例如：蓝光或紫光)，则频率愈高，能量愈高。

◆2.2 电磁波

▲2.2.1电磁波频谱(Electromagnetic spectrum)

▲2.2.2电磁波频谱的定义

光波与电磁波的关系如图四所示，我们称为「电磁波频谱(Spectrum)」，由图四中可以看出，光波主要是指红外光(IR：Infrared)、可见光(人类肉眼可以看见的光)与紫外光(VU：Ultraviolet)等三个部分，其实只是所有电磁波频谱的中央部分，所以我们说：光是一种电磁波。

（△图四 光波与电磁波的关系）

▲2.2.3电磁波

「不同波长的可见光」人类的眼睛看起来「颜色不同」。可见光是人类眼睛可以看见的光，大约可以分为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等七大颜色区块，由图四可以看出，红光的波长约为0.78μm(微米)，相当于频率3.85×1014Hz赫兹，亦相常于能量1.59eV电子伏特（参阅后面附注一)；紫光的波长约为0.38μm，相当于频率7.89×1014Hz，亦相常于能量3.26eV，所以红光的波长较长，频率较低，能量较低；紫光的波长较短，频率较高，能量较高。显然光波的波长与频率成反比；频率与能量成正比。

▲2.2.4常见电磁波

在可见光左边的电磁波波长比紫光更短(能量更高)，依序为紫外光、X射线与γ射线，这些电磁波因为频率较高(能量较高)，对人类都有一定程度的伤害。 

紫外光(UV：Ultraviolet)：波长比紫光更短(能量更高)的电磁波，通常用来杀菌、消毒或除臭。

X射线(X-ray)：波长比紫外光更短(能量更高)的电磁波，通常在医院里用来穿透人体拍摄X光片，或在实验室里用来进行衍射实验决定固体材料的原子排列方式，也就是未来基础电子材料科学所提到的简单立方结晶、体心立方结晶、面心立方结晶、钻石结构结晶与单晶、多晶、非晶材料的晶格材料分析。

γ射线(γ-ray)：波长比X射线更短(能量更高)的电磁波，是由放射性物质所发出来的辐射线，能量最高，也最危险，就是照射以后会产生「畸形人」的那种可怕射线，通常在医院里用来对病人进行放射线治疗杀死癌细胞，或在实验室里用来进行光谱实验决定材料的电子特性。

在可见光右边的电磁波波长比红光更长(能量更低)，依序为红外光、微波与无线电波，这些电磁波因为频率较低(能量较低)，对人类的伤害较小，因此常常使用在无线通信的产品上。

红外光(IR：Infrared)：波长比红光更长(能量更低)的电磁波，通常使用在无线通信，例如：摇控器与无线键盘、无线鼠标等短距离通讯。

微波(MW：Microwave)：波长比红外光更长(能量更低)的电磁波，通常使用在无线通信，例如：移动电话(GSM、GPRS、WCDMA等)、卫星通讯(GPS、DBS、DTH等)、数字广播(DTV、DAB等)、无线电视与广播。

无线电波(Radio wave)：波长比微波更长(能量更低)的电磁波，通常使用在无线通信，例如：军警所使用的无线电、还有工厂为了配线或工程施工方便沟通所使用的无线对讲机。

▲2.2.5电磁波--手机电磁波

波长愈长的电磁波，频率愈低、能量愈低，是不是代表就愈安全呢？例如：手机所使用的电磁波属于「微波」，它的能量甚至比红光或红外光更低，人类照射红光都不会怎么样了，是不是就像手机系统业者广告的一样，使用手机讲话也很安全呢？

要判断电磁波对人类有无伤害，必须由电磁波的「能量(Energy)」与「功率(Power)」两个因素一起决定，能量的单位是「焦耳(Joule)」，而功率的单位是「瓦特(Watt)」，其定义为「单位时间的能量大小」。能量小的电磁波，如果功率很大，对人类仍然会有一定的伤害，例如：目前我们所使用的移动电话是以微波来通讯，能量虽然很小，但是功率却不小，长时间使用对人体仍然可能会有不良的影响；

同理，能量大的电磁波，如果功率很小，对人类的伤害就不明显，例如：太阳光的成份原本就含有许多紫外的g射线，这些g射线经过大气层过滤以后仍然会有极少量的g射线照射到地球表面上，换句话说，我们天天都在照射g射线，能量虽然很大，但是功率却很小(大部分都被大气层过虑掉了)，长期照射也没有什么太大的影响，至少没听说过有人在海水浴场做日光浴最后变成「变种人」！

▲2.2.6电磁波--微波炉(Microwave oven)

讲到「微波(Microwave)」大部分的人不会想到手机，而会想到「微波炉」，其实微波炉所使用的电磁波和手机所使用的电磁波都是属于电磁波频谱中的微波，只是频率不同而已。由于水分子(H2O)的氢原子与氧原子之间的键结振动频率为2.4GHz(赫兹)，因此频率为2.4GHz的微波照射到水分子时能量会被水分子吸收，同时与水分子产生「共振(Resonance)」，造成水分子剧烈振动，水分子振动会与食物的分子摩擦而产生高热，因此可以在极短的时间内加热食物。

使用微波炉加热有些限制，由于金属会导电，因此微波在金属内会产生环形短路电流，累积能量到一定的程度则会瞬间释放到空气中的水份而产生火花，因此不能将金属放到微波炉加热，最好使用耐热塑料、陶瓷、玻璃等容器；纯水由于没有食物分子可以摩擦，加热时又不会产生对流，可能产生过了沸点水还不开的现象，只要一点扰动就可能会「突沸」而喷溅出来造成危险，因此应该避免直接将纯水放到微波炉加热。


频率为2.4GHz的微波容易被水分子吸收，在通讯上使用应该要很小心，别忘了人体中大约有70%的水份，但是目前我们定义2.4GHz的电磁波在通讯上称为「ISM频率带(Industrial Scientific Medical)」，主要应用在蓝牙(Bluetooth)、无线局域网络(IEEE802.11)、家用数字无线电话等短距离无线通信，只是功率比微波炉还低很多，而且这些使用ISM频率带的产品都必须通过对人体无伤害的测试，所以影响没有那么严重而已，不过下回能少用还是少用这些产品吧！

▲2.2.7电磁波--连续光谱

不同波长的可见光人类的眼睛看起来「颜色不同」，那么可见光到底有多少种颜色呢？要回答这个问题很简单，因为光的波长就是颜色，光有多少种波长，就有多少种颜色，先问自己一个简单的数学问题，在一条数在线有多少个「实数」？

答案是：在一条数在线有「无限多个实数」，因此光有无限多种波长，故有无限多种颜色，我们称为「连续光谱(Continuous spectrum)」，如图四下所示。红光的波长范围在0.78μm~0.60μm(微米)，橙光的波长范围在0.60μm~0.58μm，黄光的波长范围在0.58μm~0.53μm，绿光的波长范围在0.53μm~0.48μm，蓝光的波长范围在0.48μm~0.45μm，青光的波长范围在0.45μm~0.43μm，紫光的波长范围在0.43μm~0.38μm。

换句话说，在红光与橙光之间还有一种「红橙光」，在红光与红橙光之间还有一种「红红橙光」，在红光与红红橙光之间还有一种「红红红橙光」，以此类推，可见光的确有无限多种颜色，问题是：人类的眼睛可以分辨多少种颜色？因为眼睛可以分辨的颜色有限，因此我们要制作显示器不需要显示无限多种颜色。

◆2.3 光到底是什么？

光确实是一个很难捉摸的东西，每一次对光的原理的新发现，都会让人类进行一次科学大跃进。牛顿的粒子说开启了几何光学，解释了光的直线性、反射、折射与色散(三菱镜将太阳光的白光分为各种颜色的光的现象)。光的本质是波的想法随着光的干涉与衍射现象的证实，以及电与磁的感应现象的发现与理论的证实，最后由马克思威尔确认光是电磁波的一锤定音，人类由蒸汽机时代转换为电气时代，随着赫兹对电磁波的证实，人类更进入了无线电通信时代。

但是人类对事物的探究永远不会停止，尤其在19世纪下半，富国强兵的渴望催生列强钢铁工业的竞争，所以后起之秀的德国开启了熔铁炉的光与颜色的研究以了解熔炉中的温度，这就是关于黑体辐射之谜，由于波动说在解释黑体辐射遇到了障碍，无法满足铁熔炉温度与辐射光谱的预测，德国科学家普朗克大胆的能量量子化假设解决了黑体辐射实验与理论的契合，从此开始了量子力学时代，人类因此进入计算机与光信息时代。

两千四百多年前，人类开始对光产生兴趣，并描述了它的基本特性，四百多年来，每一次对光的性质争论所产生的原理与定律，都推动着人类科技像光一样的快速前进，波动说无法解释黑体辐射催生了量子力学，量子力学最终解释了光与物质的定义就是它具有粒子与波动两者性质的波粒二象性。

或许我们无法在现实生活中意识到这些光的微观原理，甚至光在巨观的相对论与宇宙时空也扮演者重要角色。我认为对光的性质人类到目前还是无法窥探全貌，这留给我们未来“光”的研究者无穷的空间，去打破现在光的原理描述，让人类再一次因为光的争论发现新的原理，我们可以利用新的原理了解万物的本质，进而去探索无边无际的未知宇宙！

希望我有生之年可以看到？

* 附注一基础问题小解答之电子伏特eV：电子伏特是微小能量的单位，电子伏特是一个电子其所带电量为e = - 1.6 * 10-19 库伦在电位增加一伏特时所获得的能量，所以一个电子伏特1ev = 1e * 1V = 1.60*10-19库伦 * 1伏特 = 1.6*10-19焦耳。

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光先生联合出品。欢迎保留来源和作者的全文转发。加行家说·只有工程师微信群请联系微信号：hangjia199

▲为什么会有“老叶的科普大讲堂”？

我的科普定义就是科学不是属于精英阶层独有的，解释权也不是专属于理工科系专有的，她是每个人在日常生活都可以接触到的，由于东方社会对知识的强制分类与小孩启蒙时期理工文理过早的分科。结果导致学文科的没有科学常识，学理科的没有人文情怀，由于国外信息的封闭更导致学外语的不懂专业，专业的人外语不通。

为了让市井小民与普罗大众能够对现实生活中使用的科技产品的基本科学原理能够有基本的认识，我希望每个星期一个主题教大家最简单易懂的科学常识，让学经济的学投资的学文学与法律的都可以简单的知道精密复杂的科技产品里面的简单道理。