光，其實(shí)可以有很多的含義...

不過(guò)上面這些都不是今天要聊的話(huà)題。今天我們要聊的是正經(jīng)的「光」，還有五個(gè)和光有關(guān)的你不可不知的秘密。

在你的手機(jī)屏幕里，藏著一個(gè)大太陽(yáng)

現(xiàn)在說(shuō)起黑體輻射，我們腦子里想到的第一個(gè)東西往往是「兩朵烏云」。通過(guò)對(duì)黑體輻射的研究，人們發(fā)展起了量子的概念，徹底變革了對(duì)于微觀(guān)的認(rèn)知。雖然這個(gè)故事發(fā)生在一百年前，但黑體輻射的概念，現(xiàn)在也藏在你的手機(jī)屏幕里。

黑體是指可以百分之百吸收外界電磁輻射的一類(lèi)物質(zhì)。作為一個(gè)理想中的概念，實(shí)際上在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在。不過(guò)我們可以找到很多和黑體很相近的東西——比如我們頭上的大太陽(yáng)。很多人無(wú)法理解，太陽(yáng)那么亮，為什么我們還要叫它黑體呢？

我們可以想象一塊金屬逐漸地升溫。該開(kāi)始它還是接近黑色的，但是隨著溫度逐漸升高，金屬也慢慢地冒出紅光，然后再升溫，顏色變得更偏黃一點(diǎn)。這就是一個(gè)典型的黑體輻射。如果我們把太陽(yáng)不斷地降溫，太陽(yáng)也會(huì)變得黑乎乎的。

其實(shí)我們的手機(jī)屏幕里，就藏著一個(gè)太陽(yáng)。屏幕其實(shí)就是一個(gè)光源，光源的溫度，也就是色溫是通過(guò)對(duì)比它的色彩和理論的熱黑體輻射體來(lái)確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時(shí)的開(kāi)爾文溫度就是光源的色溫。色溫越高，屏幕越偏冷色調(diào)；色溫越低，屏幕越偏暖色調(diào)。我們很多手機(jī)屏幕以 D65 為白色 ( 6500K)，也就是色溫為 6500 K。好像還比太陽(yáng)的溫度高了那么一丟丟。

又熱又冷的發(fā)光效應(yīng)

在我們的生活中其實(shí)有很多超級(jí)好玩的發(fā)光現(xiàn)象，其中一些甚至到現(xiàn)在科學(xué)家都沒(méi)有給出一個(gè)十分合理的解釋。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的發(fā)光光源大體上可以分為兩種，熱發(fā)光和冷發(fā)光。

白熾燈是熱發(fā)光的典型。在溫度較低的時(shí)候，物體黑不溜秋的并不發(fā)光；只有在溫度逐漸升高以后才會(huì)放出電磁輻射，發(fā)光發(fā)熱。冷發(fā)光則在現(xiàn)代生活中更為多見(jiàn)，比如我們平時(shí)所用的?LED 燈光，現(xiàn)在的手機(jī)屏幕所使用的發(fā)光原理，都是冷發(fā)光。物體在發(fā)光的過(guò)程中并不會(huì)產(chǎn)生太多的熱量，而是大致維持在常溫水平上。

在冷發(fā)光里，有一類(lèi)被稱(chēng)為「熱釋光」的發(fā)光效應(yīng)，有時(shí)也被譯作熱熒光?[1]。雖然它名字里帶有「熱」字，不過(guò)卻是是一種冷發(fā)光現(xiàn)象：一些晶體（例如礦物質(zhì)）在被加熱時(shí)，原來(lái)吸收并儲(chǔ)存在晶格缺陷中的能量通過(guò)電磁輻射，以光子的形式釋放出來(lái)。這個(gè)現(xiàn)象和黑體輻射還不太一樣，黑體輻射是純粹的熱導(dǎo)致的發(fā)光效應(yīng)，和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有關(guān)系。

熱釋光效應(yīng)最常見(jiàn)的用途是，鑒寶。[2]

在考古學(xué)中，通過(guò)熱釋光效應(yīng)可以鑒定陶瓷這一類(lèi)燒制文物的年代。前面也提到了，熱釋光由晶格缺陷產(chǎn)生。在陶瓷的胎和釉中含有各種各樣的礦物晶體，如石英、長(zhǎng)石和方解石等，在經(jīng)過(guò)燒制以后，這些晶體內(nèi)部排列會(huì)比較整齊，缺陷也比較少。但是因?yàn)槲覀兊沫h(huán)境中天然地存在很多高能輻射，輻射總體的量雖然不大，但是日積月累之下，晶體內(nèi)部的缺陷變得越來(lái)越多，其熱釋光效應(yīng)也就越來(lái)越明顯。通過(guò)觀(guān)察文物熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱，考古人員就可以確定文物到底是哪個(gè)年代，是不是造假的了。

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通過(guò)熱釋光鑒寶稍顯可惜的一點(diǎn)是，目前仍然需要從文物上采集一點(diǎn)樣品才能進(jìn)行分析，屬于破壞性的分析手段。當(dāng)然人們也在試圖尋找不破壞就能推斷文物年代的方法。

聲致發(fā)光

在冷發(fā)光中，有一類(lèi)非常特別的發(fā)光現(xiàn)象——力致發(fā)光。對(duì)很多常見(jiàn)的物體施加特定的力以后，它們就會(huì)發(fā)光。比如我們最近在正經(jīng)玩玩過(guò)的冰糖發(fā)光實(shí)驗(yàn)?[3]，在黑暗的環(huán)境下嚼一嚼冰糖，也可以發(fā)出幽幽的藍(lán)光。我們平時(shí)撕的透明膠帶，只要你撕的足夠快，也能看到「火花帶閃電」一般的熒光。這里提到的兩個(gè)例子實(shí)際上都是因?yàn)樵诰w斷裂的地方或者膠帶被撕開(kāi)的地方，材料結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致的。這里的電壓甚至有可能達(dá)到上萬(wàn)伏特。[4]

用聲音，同樣也可以讓發(fā)光。

如今我們已經(jīng)知道聲音實(shí)際上是物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏密的周期性變化所導(dǎo)致的。向液體中發(fā)射頻率非常高的超聲波，由于液體來(lái)不及響應(yīng)外界壓強(qiáng)的快速變化，會(huì)在液體的內(nèi)部產(chǎn)生小泡泡。而這些小泡泡，就會(huì)讓液體發(fā)光。

用聲音導(dǎo)致液體中發(fā)光的發(fā)光機(jī)制被稱(chēng)為聲致發(fā)光??(sonoluminescence)，最早在 1934 年由德國(guó)科隆大學(xué)的 H. Frenzel 和 H. Schultes 在研究聲納的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)。他們當(dāng)時(shí)為加速相片顯影，將超聲波發(fā)生器放到注滿(mǎn)顯影劑的水槽中。但萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到每當(dāng)超聲波開(kāi)啟時(shí)，液體中的氣泡便發(fā)出光來(lái)，二人后來(lái)在顯影后的底片上觀(guān)察到一些微小的亮點(diǎn)。[5]

因?yàn)槁暡ǖ念l率非常高，流體中聲波的能量十分集中，整個(gè)發(fā)光過(guò)程十分地短暫，每個(gè)閃光的時(shí)間大概僅僅為 0.0000000001 s。這些熱點(diǎn)的直徑小到 10 納米，大到 100 微米。為了保證它們的光照強(qiáng)度，在發(fā)光瞬間流體內(nèi)部的氣泡這個(gè)點(diǎn)需要達(dá)到幾萬(wàn)度的溫度。研究流體中的空穴，人們已經(jīng)有了很多行之有效的辦法，但是對(duì)于這些條件極端的空穴，卻顯得很力不從心。

原因在于這些空穴的產(chǎn)生得實(shí)在太過(guò)迅速，而空穴內(nèi)部氣體的組分又十分地復(fù)雜。目前認(rèn)為，水中的惰性氣體在這里面扮演了一個(gè)十分重要的角色。在空穴收縮的過(guò)程中，空穴內(nèi)部迅速升溫，游離的電子和惰性氣體原子相互作用從而產(chǎn)生輻射現(xiàn)象。[7]

關(guān)于聲致發(fā)光，有人想過(guò)，如果空穴內(nèi)部的壓力和溫度足夠高的話(huà)，那能否用它來(lái)進(jìn)行核聚變呢？想法很美滿(mǎn)，現(xiàn)實(shí)很骨感。盡管有部分研究人員聲稱(chēng)他們利用聲致發(fā)光實(shí)現(xiàn)了氣泡核聚變，但目前為止并沒(méi)有人能夠重復(fù)出實(shí)現(xiàn)核聚變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氣泡核聚變之路距離真正實(shí)現(xiàn)還十分的遙遠(yuǎn)。[8]

Li-Fi

我們現(xiàn)在的 4G 時(shí)代，以及即將到來(lái)的 5G 時(shí)代，上網(wǎng)刷視頻看文章用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)都是使用的電磁信號(hào)。人們把信號(hào)編碼在電磁波中，就可以通過(guò)電磁波來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸了。對(duì)信號(hào)編碼的方式從根本原理上來(lái)說(shuō)其實(shí)就兩種，調(diào)節(jié)幅度，調(diào)節(jié)頻率。因?yàn)榉鹊挠⑽膯卧~ amplitude 第一個(gè)字母是 A，調(diào)幅也被簡(jiǎn)稱(chēng)為 AM；頻率的英文為 frequency，調(diào)頻被簡(jiǎn)稱(chēng)為 FM。

所以頻率越高，其實(shí)就等于對(duì)信號(hào)的做小動(dòng)作的可能性越大，從而單位時(shí)間里面就能傳遞更多的數(shù)據(jù)和信息。如果我們把每個(gè)單位時(shí)間都利用起來(lái)傳遞信息，自然可以想見(jiàn)，頻率其實(shí)就是信號(hào)傳輸?shù)乃俾?，帶寬了。常?jiàn)的諸如 Wi-Fi 的頻率為 2.4GHz，換算過(guò)來(lái)理論上其傳輸信號(hào)的理論上限就是每秒傳輸 2400000000 位的數(shù)據(jù)，也就是千兆量級(jí)。

但是，如果我們使用光來(lái)傳遞信號(hào)呢？光的頻率則要在 Wi-Fi 頻率后面再加 5 個(gè) 0。理論上，其傳遞信號(hào)的速度要比現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)非常多。看到這么強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，怕是不管誰(shuí)都想要流口水啊。

這個(gè)技術(shù)目前就被稱(chēng)為 Li-Fi。雖然前景很好，但目前人們?cè)诩夹g(shù)上仍舊需要克服很多的困難。[9]

1 Hz 的「光」你見(jiàn)過(guò)嗎

前面我們提到了高頻電磁波的的應(yīng)用，這時(shí)候如果我們往另一個(gè)極端走，頻率很低的電磁波會(huì)是什么樣子的？

雖然絕大多數(shù)人沒(méi)見(jiàn)過(guò)，也沒(méi)用過(guò)甚低頻和超低頻的電磁波，但它確確實(shí)實(shí)發(fā)揮了很重要的作用。我們都知道水對(duì)電磁波有很強(qiáng)的吸收作用，比如微波爐就利用這一特點(diǎn)來(lái)加熱食物。這點(diǎn)雖然看上去很好用，但有時(shí)候也會(huì)造成很?chē)?yán)重的問(wèn)題，比如潛艇的通信問(wèn)題。在海面以下的潛艇如果想要通信，往往只能上浮到海面上才能打開(kāi)天線(xiàn)，但是在遇到一些緊急情況的時(shí)候，就不能再上浮了，特別是對(duì)于大國(guó)重器——戰(zhàn)略核潛艇而言，更是不能隨意上浮暴露自己所在的位置。

幸好水對(duì)電磁波的吸收還和頻率有關(guān)系，對(duì)于超低頻的電磁波，它們可以直達(dá)位于海面 100 m 以下的潛艇。比如美國(guó)和俄羅斯等國(guó)就采用 76Hz 和 82Hz 附近的典型頻率進(jìn)行通信。[10]

不過(guò)前面 Li-Fi 篇也提到了，信號(hào)的頻率和傳輸數(shù)據(jù)的帶寬成正比，對(duì)于超低頻的電磁波，其傳遞信號(hào)的速度是真的慢如樹(shù)懶，一般來(lái)說(shuō)每分鐘只能傳輸 1 bit 的信息。實(shí)際使用這種電磁波傳輸信號(hào)的過(guò)程更像是對(duì)暗號(hào)，花個(gè)十幾分鐘通信只夠收到幾個(gè)字母或者數(shù)字構(gòu)成的代碼。[11]

頻率更低的電磁波還能不能用呢？理論上其實(shí)也可以，這些甚至穿透水面幾百米指揮更深的潛艇。但是發(fā)射電磁波的天線(xiàn)其實(shí)和電磁波的頻率成反比，超低頻的通信已經(jīng)使用了幾百公里長(zhǎng)的天線(xiàn)，要想往更低頻的通信方向發(fā)展，就需要在信號(hào)的產(chǎn)生上下更多的功夫了。

上面這么多關(guān)于光的神奇秘密

看到哪個(gè)你心動(dòng)了？

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* 封面圖片來(lái)自 pixabay

* 參考鏈接:

[1]?熱釋光 - 維基百科（https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E9%87%8A%E5%85%89）

[2]?細(xì)說(shuō)古陶瓷鑒定方法——熱釋光鑒定法?（https://zhuanlan.zhihu.com/p/33738765）

[3]?我家的冰糖能發(fā)光，你家的行不行？| 正經(jīng)玩（https://mp.weixin.qq.com/s/PVko9xNBNz8NYYcQsqKBXw）

[4]?月黑風(fēng)高夜，我家的冰糖怎么發(fā)光了？| No.57（https://mp.weixin.qq.com/s/ATbMEaiS5GL7J6ItBCMRIQ）

[5]?Sonoluminescence, acoustic research（http://acoustics-research.physics.ucla.edu/sonoluminescence/）

[6]?Rayleigh-Plesset equation（https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh%E2%80%93Plesset_equation）

[7]?"Evidence for Gas Exchange in Single-Bubble Sonoluminescence", Matula and Crum, Phys. Rev. Lett. 80 (1998), 865-868

[8]?Chang, Kenneth. Researcher Cleared of Misconduct, but Case Is Still Murky. New York Times Late Edition (Final). February 13, 2007: F-4 [2007-05-13].

[9]?LiFi 真的可以取代 Wi-Fi 嗎？?- DD YY的回答 - 知乎（https://www.zhihu.com/question/19802448/answer/16444151）

[10]?潛艇在水下是如何通信的（https://news.hsdhw.com/69277）

[11]?有無(wú)可能發(fā)出 1Hz 的電磁波？?- 張浩的回答 - 知乎?（https://www.zhihu.com/question/47259906/answer/105138270）

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