光,是那样的普通,又是那样的奇特。它无处不在,人们甚至感觉不到它的存在,只有当它消失时,才发现它珍贵无比。白天,光明充满着世界,夜晚也有月光、星光和灯光,只有遮盖得严严实实的暗箱里,才失去了光。在那个完全没有光的世界,似乎一切都消失了。

在没有科学之前,没有人思考和探寻光从哪里来,又到哪里去,似乎它本来就这样一直存在,没有过去,也没有未来。随着对光的认识越来越深刻,人们才发现,原来光有那么多奇妙的个性。

某种意义上说,是光创造了我们认知的世界,最终也将随着世界的毁灭而消失。现在我们就来了解一下光的前世、今生和未来,以及带给我们哪些启示。

创世之光/

科学界公认的标准宇宙模型认为,大爆炸出现在138亿年之前,在真空量子涨落中出现了不对称的奇点,奇点爆发诞生了宇宙。在大爆炸普朗克时间之前,也就是1000亿亿亿亿亿分之一秒(10^-43秒)之前,宇宙温度无限高,密度无限大,体积无限小,是人类物理定律无法认知的世界。

人类对宇宙的认识,或者说未来有可能认识在普朗克时间之后,那时候的宇宙已经膨胀到了普朗克尺度,也就是1000亿亿亿亿分之一米(1.6*10^-35米);温度下降到了普朗克温度,也就是1亿亿亿亿K(10^32K);密度下降到了每立方厘米1百万亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿克(10^94克/cm^3)。

普朗克时间之后,已知统治世界的四种基本力才开始依次出现,亚原子粒子也随着宇宙的继续冷却而依次出现。但在相当长一个时期,宇宙仍然处于高温高密度状态,电磁辐射,也就是光的集合体,依然无法溢出,因此,那时的宇宙是黑暗的,不透明的。

一直到38万年后,宇宙温度降低到了3000K,电磁辐射才得以脱耦而出,宇宙辐射出了第一缕光。从此,宇宙开始变得透明,早已经荡漾在粒子汤中的电子、质子、中子开始合成出最简单的原子,真正的物质开始出现了。

因此,可以说是光的出现,才有了今天被人类观测到的世界。理论上光是物质转化为能量的表现,而今天所有的物质则又是宇宙大爆炸能量转化而来。

光塑造了彩色世界/

本质上,光是电磁辐射,是宇宙能量的一种传播方式。我们通常说的光是指可见光,就是人眼能够感受到的光,是电磁辐射中极小的一个片段。电磁辐射波长从阿米级(10^-18米)到公里级,其中可见光只占据380纳米~760纳米这么一小段。

而在可见光波段的前后,存在着波长最长的无线电波(包括长波、中波、短波、微波),波长从数公里到1毫米;还有红外线,波长在760纳米到1毫米之间;比可见光更短波长的电磁辐射有紫外线、X射线、γ射线,一个比一个波长短,最短的伽马射线波长小于0.1纳米,一直到阿米级,甚至更短。

这些电磁辐射都可以称为光,因为它们的传播媒介都是光子。只不过人类除了可见光,对于其他的电磁辐射都无法看见,这些看不见的低能和高能光,可以称为不可见光。虽然人眼无法看到除可见光以外的电磁辐射,但通过各种现代科学仪器设备,就能够接收或“看到”这些不可见光,如示波仪、电磁辐射测量仪、射电和射线望远镜、X光机等等。

人类从古到今,就是依靠这些光,来感知和“看到”这个世界。这是由于可见光是地球生命孕育和生存的最基本条件,而人类和许多动物为了适应地球环境,进化出了对可见光感光的视觉系统。

可见光,如太阳光看起来是白色的,或者说是无色透明的。其实太阳光并非无色,而是一种复合色。这种复合光是红光到紫光渐变而成,可以分出无数色差,人们大致上将其分为红橙黄绿蓝靛紫七色,每一种颜色的波长都不一样。

其中红光波长最长,约在625到760纳米之间;橙光波长范围约在590到625纳米、黄光波长范围约在570~585纳米、绿光波长范围约在492~577纳米、靛光波长范围约在420到440纳米、蓝光波长范围约在440到475纳米之间;紫光波长最短,约在380到440纳米之间。

世界万物本来是无色的,但不同物体对不同波段的光吸收率和反射率不一样,被吸收掉的光谱人眼就看不到了,而看得到的只是物体反射出来的光,这样人们看到的世界才呈现出不同的颜色。因此,是光的颜色和物体对不同波段光的吸收反射率不同,或人眼在不同角度看物体,才造就出大千世界的姹紫嫣红。

我们看到树叶是绿色的,是因为树叶更多地吸收了阳光中其他颜色的光,更多地反射了绿色;看到红色物体,是这种物体更多地吸收了除红色之外其他颜色的光,更多地反射了红色;白色物体则是几乎不吸收光,以可见光全波段的形式反射出来,如白布和白雪。

光有波长,还有频率,且频率与波长成反比。就是波长越长,频率越低;波长越短,频率越高。而光波的能量是与波长成反比与频率成正比的,波长越短频率越高的光能量越大。因此比可见光频率高的光杀伤力就更强,如紫外线、X射线、γ射线,一个比一个强大,可以杀伤甚至杀死生物。

人类分别利用不同波长和频率的光,趋利避害,改造世界造福人类。

光速是人类认识世界的基本工具/

在伽利略创立实验科学以前,人们对光速认识模糊,主流大咖们普遍认为光速是无限的,只要有光源,光就会瞬间的照亮目标,太阳光也是瞬时充盈人间的。有这种认识其实一点也不奇怪,因为光速太快了,凭那时候的科学技术和裸眼是根本无法分辨光速的。

科学大咖伽利略常常做出一些令人匪夷所思的实验,他在比萨斜塔上将一大一小两个铁球同时丢下来,看看是否同时落地,由此得出了自由落体定律。伽利略认定光是有速度的,曾经尝试测出光速有多快。

他和助手们分立在两个相隔一英里的山头,以举灯为号尝试计算出光在两个山头间传递的速度。他这是大大低估了光速,才选择了这样简单的一个方法,试验只能以失败告终。每秒约30万公里的光速,怎么可能在1英里之间靠眼睛看出来呢?

但伽利略的实验影响了后来的一代代科学家,他们绞尽脑汁设计制造各种测量光速仪器设备,从粗放到精细,光速渐渐明了起来。最终得出光速的精确值,还是上世纪七十年代采用了激光干涉法的科学方法。

后来国际计量学会通过重新修订米的长度,以光速来确定“米”的长度,从而使长度单位与光速相互印证,才最终得到了光速的整数值,即:真空光速值c=299792458米/秒。

从此,光速c成为现代物理学的一个基本常数,几乎参与到了科学技术的一切领域。由于几百年来对光速越来越精确的认识,让人类对宇宙的了解也越来越精确。在宇宙观测中,光速已经成为一把量天尺,是一个测量遥远天体的距离单位。

这就是光年。光每秒传播的距离为299792458米,每小时3600秒,每天24小时,一个儒略年为365.25天,这样一年就为31557600秒;光在一个儒略年行进的距离为9460730472580800米,也就是约9.46万亿公里,这就是一光年的尺度。

由于光是有速度的,而人眼看到的世界万物都是依靠光传递到视网膜,因此,越近距离的物体传播到人眼的时间越短;反之,越远的物体形象传播到人眼中所需时间就越长。这样人类看到的所有物体都并非是即时的样子,而是“过去”的样子了。

比如1米距离的物体,到达我们视网膜的时间需要299792458分之一秒,因此我们看到的这个物体就是299792458分之一秒前的样子;同理,1公里远的物体,就是299792.458分之一秒前的样子;月球距离我们约38.4万公里,光速每秒传播速度约30万公里,因此我们看到的月亮就是一秒多钟前的样子。

距离很近的物体,传递到我们眼中所需的时间极短,因此一般可以忽略不计,视同即时看到。但距离很远的物体,传递到人眼需要足够的时间,就具有延时意义了。

如太阳距离我们1.5亿公里,发出的光辐射要历经8分多钟才能传输到地球,因此晒在我们身上的阳光,永远都是太阳在8分多钟前发出的光;而距离我们1光年或1亿光年的恒星或星系,我们看到的就永远是1年前或1亿年前的样子,以此类推。

光在创世中诞生,最终会消失吗?

光既是物质转化为能量的表现,也是传递能量的媒介。因此可以说,没有了光,就没有了能量。而宇宙万物都需要能量来维持,没有了能量,一切都将消亡。对地球生命来说,有句谚语叫万物生长靠太阳,没有了太阳,地球上所有生命都将消失。

首先,没有了阳光辐射,地球会变成一个零下200多度的冰球,一切都将冻结;在没有冻结之前,依靠光合作用生长的植物将全部死去,依靠植物为生存的草食动物随之灭绝,接着依靠吃草食动物之肉生存的肉食动物也死去,最终连微生物也死去,生命在地球上灭绝。

对于生命来说,光少了活不了,光多了也不行。地球生物在亿万年进化中,适应了太阳可见光,这些可见光让动植物得以繁衍生息。但宇宙和太阳并非只发出可见光,还有紫外线、X射线、伽马射线和高能宇宙射线,这些高能射线则是生命的大敌。

有研究认为,4.45亿年前的奥陶纪物种大灭绝,就是伽马射线暴轰击所致。是距地球6000光年的两颗中子星相撞,导致了超新星大爆发,迸发出若干束伽马射线暴,其中一束恰好扫过地球,导致了生物食物链断裂,历经40多万年的灭绝性灾难,85%的物种从此消失。

现在的太阳风、紫外线和宇宙射线也每时每刻在轰击着地球,但地球有两重铠甲防护:一重是地磁场,将来自太阳强劲的太阳风疏导流向远方;一重是大气层,特别是其中的臭氧层,阻隔过滤了来自太阳的紫外线和大部分宇宙射线。

那么,光从虚无中创生,未来也会消失吗?答案是肯定的,基于现代科学对宇宙的解释,宇宙时空是相对的,有始有终的,因此最终都要走向消亡。但这个时间非常久远,久远得人类不可能看到。

宇宙的归宿有许多猜想,有热寂说、大坍缩说、大撕裂说等等。这些说起来话长,有兴趣的朋友可以查阅时空通讯过去的相关文章,这里就不多扯了。但不管哪种消亡,最终都是时空消失,归于虚无,光也不例外。对此,你怎么看?欢迎讨论点评。

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