看見光的15種方式

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好宅https://www.xinseopr.com/170864-21/20210214085227/image_0.jpg寵物照護

在《牛津英語詞典》中,(light)的首則定義是“引起視覺器官功能性活動的自然因素或影響”;在中文字典里,光通常指可見光,也會指代色澤和光彩,甚至引申成榮譽和榮耀。


事實上,即使翻找字典里長達數頁的有關“光”的詮釋,我們也很難解釋清這個簡單的字眼對我們而言究竟意味着什麼。在宇宙誕生後的138億年裡,光子幾乎影響了宇宙中的一切。在人類出現後的數十萬年裡,光和水、碳一樣,是我們生存必不可少的核心要素。


在這裡我們找到了15個有關光的詞彙,它們反映了光如何照耀宇宙,點亮生命,以及照亮我們認知世界的道路。或許從這些詞中,你會獲得有關光的新的理解。


提示:下列圖片都可以點擊兩下哦~


愛釋迦果園https://www.xinseopr.com/170864-21/20210214085227/image_1.jpg


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地球兩極都會出現極光。在不同的文化中,人們對極光有着不一樣的解讀,比如對因紐特人來說,北極光被認為是天空的精靈在進行足球比賽。從科學的角度來看,極光產生的機制同樣令人驚嘆:太陽釋放的帶電粒子被地球磁場帶向南北兩極,這些粒子與大氣中的氣體發生碰撞,散髮出霓虹燈般耀眼的光芒。


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植物和光合細菌將水和二氧化碳轉化為糖,從而維持自身的生存,這需要能量來催化反應。葉綠素的作用就是捕獲高能的光子。但從理論上來說,葉綠素並不是絕對理想的。葉綠素的兩種分子形式(葉綠素a和葉綠素b)在可見光譜的紅端和藍端吸收光的效率最高,兩者之間的反射波長使得葉子呈現出綠色,這也意味着植物“錯失”了綠色這一波長的光。如果請工程師來設計,任何明智的工程師都會將植物染成黑色,從而吸收所有的陽光。但自然選擇並沒有那麼苛求,葉綠素已經足夠好了,它足以養活整個地球。


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以太是一種假想介質。特別是在19世紀科學家托馬斯·楊(Thomas Young)展示了光波的實驗證據後,科學家認為,需要用類似聲學的術語來描述光。如果聲波通過空氣傳播,那麼能夠傳播光波的介質又是什麼?為瞭解釋光傳播的巨大速度,以及無法測量出的理論上存在的“以太風”,數學家計算出,以太一定比鋼更堅固,同時又比空氣更稀薄,因此沒有人能找到它。現在我們已經知道,它是科學史上最著名的錯誤之一。


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在電氣照明的領域,最令發明家頭疼的就是尋找一種實用的燈絲。任何碳化纖維在真空燒瓶內通電時都會發光,但在熱燈絲自毀之前,光照往往只能持續幾分鐘。托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)曾用紙板、軟木塞、生絲、人類鬍鬚等等數千種物質進行了試驗,最後在竹子中找到了合適的材料。那時,還有其他發明家也在尋找替代方案。後來,鎢絲成了一種被廣泛應用的選擇。


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螢火蟲腹部的光來自一種名為螢光素的化學物質與氧氣反應產生,螢火蟲通過控制氣流來調節閃光。很久之前,人們曾用關在籠子里的螢火蟲當作燈籠。這種現象對被稱為生物發光,它對人類也很有吸引力——從魚類到細菌,還有其他許多能夠進行生物發光的生物也在許多文化中被用於照明。如今,生物發光最主要的“消費者”變成了生物學家,他們使用一種螢火蟲酶和來自生物發光的水母的綠熒光蛋白作為分子標記,成為醫學實驗中的光源。


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最初的鐘錶就是日規,人們在地面上豎起一根木棍,通過步測影子的長度來讀出時間。隨着城市和機構的發展,日晷變得更加精巧,開始具有紀念意義。在羅馬帝國,最豪華的日晷用掠奪來的埃及方尖碑做日規,它投下的影子落在地上巨大的格點中。那時,水鐘也很常見,人們用從容器中倒出的水的速率來模擬一天的太陽活動。從此時起,日規和太陽逐漸退出了鐘錶歷史的舞臺。從鐘擺到原子振蕩,時鐘變得越來越不依賴日光,最終甚至變得比自然的行星系統的運行更穩定且有規律。原子鐘現在需要利用周期性的閏秒來“校正”。


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在激光發明之前,太陽是許多光學實驗中唯一適用的強光源。發條驅動的定日鏡會隨時間轉動,從而補償地球的運動,來獲得穩定的陽光。如今,定日鏡的目的已經有所不同:一圈圈的定日鏡能夠將太陽的熱量集中在一個中心塔上,產生巨大的太陽能。這些太陽熱電站賦予定日鏡新的實驗價值,它們幫助天文學家在夜間同樣可以探測到最微弱的輻射。


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激光發出的狹窄光束可以調諧到特定的頻率,它潛藏在現代技術之下,改變了從全球通訊到內科醫學的各個領域。但當激光剛剛出現時,它的價值並沒有立即得到重視。當工程師西奧多·梅曼(Theodore Maiman)在1960年宣佈首個激光的工作原型時,甚至連他自己的助手都稱之為“自找問題的解決方案”。與X光類似,激光首先通過醫學的實用主義影響了我們的生活,它最早的用途之一是幫助外科醫生切除腫瘤。


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在歷史上很長一段時間里,人們一直以為光是瞬時傳播的,即使有一些人曾對此提出懷疑,比如伽利略Galileo Galilei,但礙於技術限制,他們也無法通過實驗證明。因為光速實在太快了,只有進行天文觀測才能滿足。科學家在不同季節利用地球與木星之間的距離對光速進行測算,從17世紀到20世紀,光速被逐步精確到每秒299792458米,換句話說,一光年的距離約等於9.5×10¹⁵米,相當於半人馬座α(南門二)距離的四分之一。光速被認為是宇宙中無法超越的速度極限。反過來,光速又改變了對距離單位的定義。自1983年,單位“米”被定義為光在1/299792458秒傳播的距離。


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光從一種物質進入另一種物質(比如從空氣到水中)時往往會發生彎折,折射率的差異決定了光彎曲的程度。一些超材料具有負折射率,它能使光向相反方向彎曲,甚至可以構造成可以傳導物體周圍的光波,使物體看起來好像不存在一樣。這聽起來很像科幻電影中的“隱形斗篷”,但很可惜現實並不是這樣,因為大多數超材料只能局限於彎曲特定波長的光,而這些波長往往遠遠超出了可見光譜的範圍。


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是一種惰性氣體,通電時會發出橙紅色的光。由於排放的熱量極小,氖製成的燈可以達到很高的照明效率。20世紀初,這種氣體已經有了穩定的來源,它是氧氣製造過程中的一種廢棄物。這些因素使得工程師喬治·克勞德(Georges Claude)將氖氣管視為燈絲燈泡的替代品。1910年,克勞德用氖製成的燈照亮了巴黎大皇宮的正面。由於氖和其他惰性氣體(包括氦和氬)製成的燈往往炫彩奪目,克勞德沒能在家用照明領域掀起革命,但這種燈管卻成了戶外廣告的理想選擇。現在,在許多城市中,夜晚的霓虹燈比天上的星星要亮得多。


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人類能看到的顏色其實只是光譜中很小一小部分。最初,艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在“擺弄”棱鏡折射時發現了陽光中“隱藏”的彩色,這是人們認識光譜的第一步。到了19世紀,天文學家威廉·赫歇爾(William Herschel)在棱鏡一端感受到了熱量,讓我們對光譜的認識延伸到了看不見的範圍。赫歇爾發現不可見的紅外光能夠帶來溫暖。隨着對光譜瞭解的深入,我們對宇宙的認識也隨之擴展。


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超新星是宇宙中最絢麗的“煙火”,其爆發亮度足以在整個星系中清晰可見。人類最早對超新星的觀測記錄來自1054年,這顆超新星爆發後產生了我們如今熟悉的蟹狀星雲。在空間望遠鏡的幫助下,我們已經觀測到了遠在100億光年之外的超新星爆發事件。事實上,沒有超新星就沒有我們人類,因為過去的爆發事件產生了對生命至關重要的元素,並將這些元素散落在宇宙各處。此外,通過觀測Ia型超新星,天文學家發現了宇宙的膨脹正在加速。


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從黑暗時代(中世紀)到19世紀,動物脂一直被用來製作蠟燭。當時的人們發現,蠟燭的最佳配比是一半來自羊、一半來自牛的油脂組合,這樣製成的蠟燭其煙味和臭味都比燃燒豬油要輕微得多。在一般工人的家裡,日落後只有微弱的油脂蠟燭來提供唯一的光亮,但當時的貴族卻可以大肆揮霍來自抹香鯨的鯨蠟。由於鯨蠟燃燒的火焰非常明亮,且當時大多數科學家都來自貴族階層,一種光強度單位“燭光”(candlepower)被定義為兩盎司的鯨蠟蠟燭以每小時120格令的速度燃燒所產生的光量。


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1895年11月8日,德國物理學家威廉·倫琴(Wilhelm Röntgen)註意到,在真空玻璃管中釋放高壓電,會導致經過化學處理的屏幕發光。更奇怪的是,當他把妻子的手放在真空管和一個照相底片之間時,他得到了一張妻子手部骨骼的影像。倫琴因此意外地發現了這種未知的射線,並將其命名為“X射線”。很快,醫生已經開始使用倫琴發現的這種方法診斷四肢骨折。


#創作團隊:
選題:HZXZ
文字:Takeko
圖片:岳岳
視覺:Takeko
#選題及參考來源:
https://nautil.us/issue/11/light/20-ways-to-see-the-light
#圖片來源
封面及文首:Pixabay
極光:Pixabay
綠葉:Pixabay
葉綠體:DataBase Center for Life Science (DBCLS) / Wikimedia Commons
螢火蟲:Terry Priest / Wikimedia Commons
定日鏡:Jean Thiébault Silbermann- Silbermann heliostat-CnAM
X射線:Mikael Häggström, M.D.


來源:原理

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編輯:dogcraft


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