首頁 牛津通識課:黑洞、光、行星、引力

05 光物質 Light Matters

光是如何產生的呢?在回答這個問題之前,讓我們先看看身邊多種多樣的發光物體:首先是日常生活中的燈具:基於金屬絲發光的普通燈泡;熒光管;我們之前提過的激光筆;從烤麵包機到汽車儀表盤等電子設備上的指示燈;陽光,當然還有星光;在地球南北極地才可以有幸看到的極光;不僅如此,還有螢火蟲、螢科蟲類以及船尾的磷光[1]等等。這些千差萬別的物體是通過什麽樣的方式產生了一個共同的產物——光的呢?

這個問題的答案是,它們都涉及物質——都涉及電荷的轉移。當這些電荷加速時,也就是說當它們改變運動速度或者方向時,就會產生光。這是一個簡單的物理原理,對它的認識是電磁學理論的偉大成就之一。電場的起源是電荷,比如原子中的電子,其所產生的電場會延伸到整個空間,並吸引像質子一樣的帶異性電荷的粒子,且這種吸引力會隨著其與電子間距離的增加而迅速減弱。正如我在第3章提到的,這是靜電產生的力。

振**原子與彎曲電子

現在假設電子突然運動起來,它周圍的場也必定會隨之改變,這是因為兩者間有著千絲萬縷的聯係。圖25描述了這種電場的變化,它看起來像一個“扭結”。位於電場中的質子並不會立刻感應到這種電場的變化,事實上,從電子發生運動到質子感知到電場變化,這之間有一個時間差。在這期間,“電子發生了運動”這一信息是以光速由電子向質子進行傳播的。當質子感知到變化之後,質子會根據電子的運動方向而做出反應:如果電子靠近質子,那麽質子受到的電場會變強,從而受到更大的力;如果電子遠離質子,則質子受到的電場變弱,從而受到的力減小。

現在假設電子來回運動,它周圍的電場也會隨著這種振**同步發生變化,並且傳播到質子所在位置,質子受到這種變化的電場作用發生振**。振**的電場(以及相關的磁場,這裏我們不展開討論)正是我們所說的光。