光的本质（一）之光的产生

        夜晚里，我们走在公路的人行道上，大功率的路灯发出的光照亮着我们前行的道路，路上总会有一些路灯照不到的死角，于是，我们拿出手机，打开几乎每个手机都会有的手电筒功能，瞬间手机的闪光灯发出了强烈的光，在我们的身体前方投射出明亮的光线。

        这是我们生活常常会遇到的场景，从某种程度上来说，光已经成为我们生活的一部分。早在公元前400多年时，古希腊的哲学家德谟克利特就开始思考光背后的本质了，人类在这条道路上苦苦探索2000多年，发射学说、入射学说、波动学说、微粒学说先后粉墨登场，然而这些学说都没有触及到光的产生这个本源问题，光是怎样产生的呢？这个问题要先从黑体辐射现象说起。

        1900年4月27日，伦敦阿尔伯马尔街皇家研究所举行了一场新世纪的报告会，爱尔兰第一代开尔文男爵(Lord Kelvin)威廉ž汤姆森发表了题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》(Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat andLight)的演讲，他以这样一段话开始：“动力学理论宣称，热和光是运动的结果，然而这一理论的优美性和清晰性却被两朵乌云所遮蔽，显得黯然失色。”开尔文男爵提到的两朵乌云分别指的是以太和黑体辐射问题，这两个问题都在光的历史中扮演非常重要的角色，在《光的历史（二）》中，我已经提到了，以太被迈克尔-莫雷实验钉在物理的死亡柱上，那么今天的我们就来看一看黑体辐射问题。

（开尔文男爵：https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin）

        所谓“黑体”，从字面上理解它是黑色的，这并不完全准确，黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想物理，实际上团体是不存在的，但可以用某种装置挖地代替黑体。如下图所示，有一个圆球形物体，只有一个很小的孔是黑色的，原因在于黑体内部是空心的，空心的内壁涂上了吸光性强的材料，这个入射进入小孔的光线在黑体的内壁经过多次反射之后，其光能量会被完全吸收，由于小孔占黑体表面积的比例很小，因此反射光线从小孔中出射的概率很小，即使这种小概率的事件发生了，出射光线的能量会由于黑体内壁的多次吸收而非常微弱，人眼几乎无法接收到出射光线的能量，因而看不到小孔的真实面目，小孔就是黑色的。黑体源源不断的全部吸收入射光线的能量，其温度会上升，在此过程中，黑体会以电磁波的形式向外界辐射能量，当黑体吸收的能量等于辐射的能量时，黑体达到了一种平衡的状态，此时，黑体的温度保持不变。

        这就好像我们去山上游玩，看到一个深不见底的山洞，里面一片漆黑呀，谁也不敢第一个进去……可明明山洞的四周，我们都可以看到呀，为啥山洞口就是一片漆黑涅？原因在于黑洞太深了，入射光线进去之后，要么一直入射到山洞的底部（入射过程中，空气及空气中的微粒不断吸收光能量），要么就被山洞的四壁给反射并吸收了，我们自然就只能看到黑洞洞的入口了。

        各位看官要注意了，现在我们要进入正题了。各位应该还记得，我在《“光”的历史（二）》中有提到，天才物理学家麦克斯韦在1864年发表了题为《电磁场的动态理论》的论文(A Dynamical Theoryof the Electromagnetic Field)，预言光是一种电磁波。22年后，这个预言被赫兹用实验证明。至此，电磁理论的大厦正式封顶，电磁波的频段横跨的范围包括：从无线电波到红外线，从红外线到紫外线，从X射线到γ射线再到高能射线。我们知道可见光波段的外侧是红外线和此外线，因此可见光必然在于电磁波的跨度范围内了，而黑体在吸收外界光能量的过程中，会以热辐射的形式向外界辐射电磁波。我们神奇地发现了电磁波似乎是黑体和可见光的连接纽带，到底是不是这样呢？答案是肯定的。既然黑体可以发出电磁波，就必然可以辐射出可见光，只是需要满足一定的条件。那么，黑体辐射可见光的前提条件是什么呢？

        各位应该还记得中学物理里学到的焰色反应，将金属钙放在火焰上灼烧时，火焰会变成砖红色，钡对应黄绿色火焰，铜是浅蓝色火焰，铟是蓝色火焰，钾是浅紫色火焰。如果把这些金属看作是黑体的话，黑体在被加热的过程中不断吸收火焰的热量，并以电磁波的形式辐射热量从而维持平衡状态，处于可见光波段内的电磁波会被人眼感知到。辐射出的电磁波是各种频率的“混合物”，不同金属的能态特性不同，“混合物”的各种成份所占比例也不同，因而呈现出不同的颜色。

        爱喝咖啡的人喜欢不同的口味，有人就爱喝苦咖啡，不用加糖啊……有人一定要加点糖才行，微甜就好，还有人要加很多糖，要很甜才行。咖啡和糖所占的比例会各不相同，喝出来的味道就会有差异，甚至是很大的差异，因此，就有了那句俗话：萝卜白菜，各有所爱。

（焰色反应：http://baike.so.com/doc/47838-50077.html）

        黑体辐射可见光的前提条件是什么呢？焰色反应给出一个提示：温度。在黑体被加热的过程中，黑体源源不断地吸收外界提供的能量。开始阶段，只辐射出频率较小的电磁波，人眼感知不到，火焰还是白色，黑体吸收的能量大于辐射的能量导致黑体的温度不断上升；当达到某个温度范围时，黑体辐射出肉眼可见的光线，人就看到火焰呈现出不同的颜色；最后，吸收能量等于辐射能量，黑体达到能量平衡，自身温度保持不变，火焰的颜色维持不变。科学家在研究黑体辐射的时候，发现一个规律，黑体的温度越高，辐射出的电磁波频率越大，其中的原理是可以通过普郎克能量子公式来解释（请参阅《“光”的历史（二）》有关普朗克能量子的历史）。

        现在，我们已经知道黑体可以辐射出电磁波，当然也可以辐射出可见光，其实，一切高于绝对零度的物体都可以辐射出电磁波，但，为什么要加入“高于绝对零度”这个条件呢？这与电磁波的产生有着极为密切的联系。中学时期，物理老师告诉我们：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，于是电磁波就产生了。物质是由原子和分子构成的，原子又是由原子核和电子构成的，当原子的温度高于绝对零度时，原子就会运动，具体来说：原子核会以自转和上下振动的方式运动，电子则绕着原子核运动。我们知道，当电荷处于加速运动（加速度不为零，正负皆可），就会产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生新的变化的电场，电磁波应运而生。原子核里的质子和核外电子都处于加速运动的状态，自然都可以产生电磁波了，核外电子具有不同的能级，当外界向物体提供能量时，电子可以从低能级跃迁至高能级，但高能级并不是稳定的状态，电子会再次跃迁至低能级并辐射出电磁波。另外，分子按照激发态电子自旋不同从而分为不同的重态（单重态和三重态），分子在吸引外界能量后，会被激发到高能量的重态，其后由于分子的不稳定又退回到低能量的重态并辐射出电磁波。通过对原子和分子辐射电磁波过程的分析，可以提炼出物体辐射电磁波的两个最基本的前提：

(1)  物体的温度高于绝对零度；

(2)  物体从外界吸收能量；

        电子就像一个活跃的小孩，他饿了的时候就不想挪窝（电子一直处于低能级，能量低），跟在妈妈屁股后面要吃的东西（能量），妈妈终于不忙了，可以给小家伙做饭吃（外界给电子提供能量），小家伙吃完饭后满血复活，离开妈妈身边开始四处蹦达（电子吸收外界的能量，跃迁至高能级）。小孩吃得越饱（电子吸收的能量越高），精力就越充沛，活跃的范围也就越大（跃迁之后的能级所包含的能量越高），小孩在四处活动的过程中就会消耗能量（电子从高能级跃迁至低能级，辐射电磁波），过了四个小时，肚子快速就又饿了，于是回到妈妈身边再要吃的……