和光有關的，五個你不可不知的秘密_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-04-21 14:57
原創：中科院物理所
**光，**其實可以有很多的含義…
比如頭髮掉光光
半點錢沒有，一直月光
不過上面這些都不是今天要聊的話題。今天我們要聊的是正經的「光」，還有五個和光有關的你不可不知的秘密。
在你的手機屏幕裏，藏着一個大太陽
There is sun in your screen
現在説起黑體輻射，我們腦子裏想到的第一個東西往往是**「兩朵烏雲」**。通過對黑體輻射的研究，人們發展起了量子的概念，徹底變革了對於微觀的認知。雖然這個故事發生在一百年前，但黑體輻射的概念，現在也藏在你的手機屏幕裏。
**黑體是指可以百分之百吸收外界電磁輻射的一類物質。**作為一個理想中的概念，實際上在現實生活中並不存在。不過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。很多人無法理解，太陽那麼亮，為什麼我們還要叫它黑體呢？
利用電磁渦流加熱金屬，隨着金屬的温度不斷升高，其顏色也逐漸發生變化
我們可以想象一塊金屬逐漸地升温。該開始它還是接近黑色的，但是隨着温度逐漸升高，金屬也慢慢地冒出紅光，然後再升温，顏色變得更偏黃一點。這就是一個典型的黑體輻射。如果我們把太陽不斷地降温，太陽也會變得黑乎乎的。
不同色温的光對比圖
其實我們的手機屏幕裏，就藏着一個太陽。屏幕其實就是一個光源，光源的温度，也就是色温是通過對比它的色彩和理論的熱黑體輻射體來確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時的開爾文温度就是光源的色温。色温越高，屏幕越偏冷色調；色温越低，屏幕越偏暖色調。我們很多手機屏幕以 D65 為白色 ( 6500K)，也就是色温為 6500 K。好像還比太陽的温度高了那麼一丟丟。
又熱又冷的發光效應
Hot and cold
在我們的生活中其實有很多超級好玩的發光現象，其中一些甚至到現在科學家都沒有給出一個十分合理的解釋。我們日常生活中常見的發光光源大體上可以分為兩種，熱發光和冷發光。
一顆發光的星星
白熾燈是熱發光的典型。在温度較低的時候，物體黑不溜秋的並不發光；只有在温度逐漸升高以後才會放出電磁輻射，發光發熱。冷發光則在現代生活中更為多見，比如我們平時所用的 LED 燈光，現在的手機屏幕所使用的發光原理，都是冷發光。物體在發光的過程中並不會產生太多的熱量，而是大致維持在常温水平上。
在冷發光裏，有一類被稱為**「熱釋光」的發光效應，有時也被譯作熱熒光** [1]。雖然它名字裏帶有「熱」字，不過卻是是一種冷發光現象：一些晶體（例如礦物質）在被加熱時，原來吸收並儲存在晶格缺陷中的能量通過電磁輻射，以光子的形式釋放出來。這個現象和黑體輻射還不太一樣，黑體輻射是純粹的熱導致的發光效應，和物質的結構沒有關係。
熱釋光效應最常見的用途是，鑑寶。[2]
瓷器。圖片來自 BBC 的《鑑寶路秀》（Antiques Roadshow）
在考古學中，通過熱釋光效應可以鑑定陶瓷這一類燒製文物的年代。前面也提到了，熱釋光由晶格缺陷產生。在陶瓷的胎和釉中含有各種各樣的礦物晶體，如石英、長石和方解石等，在經過燒製以後，這些晶體內部排列會比較整齊，缺陷也比較少。但是因為我們的環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，晶體內部的缺陷變得越來越多，其熱釋光效應也就越來越明顯。通過觀察文物熱釋電效應的強弱，考古人員就可以確定文物到底是哪個年代，是不是造假的了。
金剛石結構的晶體內部原子排列方式示意圖
通過熱釋光鑑寶稍顯可惜的一點是，目前仍然需要從文物上採集一點樣品才能進行分析，屬於破壞性的分析手段。當然人們也在試圖尋找不破壞就能推斷文物年代的方法。
聲致發光
Sonoluminescence
用嘴巴嚼冰糖就能發光，沒見過了吧。看不清的話可以試試到暗處把屏幕亮度提高。圖片來自參考鏈接 [3]，感謝師兄的友情出鏡~
在冷發光中，有一類非常特別的發光現象——力致發光。對很多常見的物體施加特定的力以後，它們就會發光。比如我們最近在正經玩玩過的冰糖發光實驗 [3]，**在黑暗的環境下嚼一嚼冰糖，也可以發出幽幽的藍光。**我們平時撕的透明膠帶，只要你撕的足夠快，也能看到「火花帶閃電」一般的熒光。這裏提到的兩個例子實際上都是因為在晶體斷裂的地方或者膠帶被撕開的地方，材料結構不對稱發生電荷轉移所導致的。這裏的電壓甚至有可能達到上萬伏特。[4]
撕膠帶也能撕出藍光來。電荷分離導致約 40,000 伏的電位差，可以在黑暗的環境中實現。Credit: C. Camara and Juan V. Escobar
用聲音，同樣也可以讓發光。
如今我們已經知道聲音實際上是物質結構疏密的週期性變化所導致的。向液體中發射頻率非常高的超聲波，由於液體來不及相應外界壓強的快速變化，會在液體的內部產生小泡泡。而這些小泡泡，就會讓液體發光。
用聲音導致液體中發光的發光機制被稱為聲致發光 (sonoluminescence)，最早在 1934 年由德國科隆大學的 H. Frenzel 和 H. Schultes 在研究聲納的過程中發現。他們當時為加速相片顯影，將超聲波發生器放到注滿顯影劑的水槽中。但萬萬沒想到每當超聲波開啓時，液體中的氣泡便發出光來，二人後來在顯影后的底片上觀察到一些微小的亮點。[5]
在氣泡瞬間收縮的時候會發光, 圖片來自[5]
因為聲波的頻率非常高，流體中聲波的能量十分集中，整個發光過程十分地短暫，每個閃光的時間大概僅僅為 0.0000000001 s。這些熱點的直徑小到 10 納米，大到 100 微米。為了保證它們的光照強度，在發光瞬間流體內部的氣泡這個點需要達到幾萬度的温度。研究流體中的空穴，人們已經有了很多行之有效的辦法，但是對於這些條件極端的空穴，卻顯得很力不從心。
Rayleigh–Plesset 方程式經常應用於研究空穴現象中的氣泡，照片顯示的是運動中的螺旋槳產生的氣泡，圖片來自維基百科 [6]
原因在於這些空穴的產生得實在太過迅速，而空穴內部氣體的組分又十分地複雜。**目前認為，水中的惰性氣體在這裏面扮演了一個十分重要的角色。**在空穴收縮的過程中，空穴內部迅速升温，遊離的電子和惰性氣體原子相互作用從而產生輻射現象。[7]
關於聲致發光，有人想過，如果空穴內部的壓力和温度足夠高的話，那能否用它來進行核聚變呢？想法很美滿，現實很骨感。儘管有部分研究人員聲稱他們利用聲致發光實現了氣泡核聚變，但目前為止並沒有人能夠重複出實現核聚變實驗結果。氣泡核聚變之路距離真正實現還十分的遙遠。[8]
Li-Fi
Visible light communication
我們現在的 4G 時代，以及即將到來的 5G 時代，上網刷視頻看文章用來傳輸數據都是使用的電磁信號。人們把信號編碼在電磁波中，就可以通過電磁波來進行遠距離的數據傳輸了。對信號編碼的方式從根本原理上來説其實就兩種，調節幅度，調節頻率。因為幅度的英文單詞 amplitude 第一個字母是 A，調幅也被簡稱為 AM；頻率的英文為 frequency，調頻被簡稱為 FM。
調頻和調幅示意圖
**所以頻率越高，其實就等於對信號的做小動作的可能性越大，從而單位時間裏面就能傳遞更多的數據和信息。**如果我們把每個單位時間都利用起來傳遞信息，自然可以想見，頻率其實就是信號傳輸的速率，帶寬了。常見的諸如 Wi-Fi 的頻率為 2.4GHz，換算過來理論上其傳輸信號的理論上限就是每秒傳輸 2400000000 位的數據，也就是千兆量級。
但是，如果我們使用光來傳遞信號呢？光的頻率則要在 Wi-Fi 頻率後面再加 5 個 0。理論上，其傳遞信號的速度要比現在常用的數據信號強非常多。看到這麼強大的數據傳輸能力，怕是不管誰都想要流口水啊。
用光來實現傳輸信號的 Li-Fi 技術示意圖
這個技術目前就被稱為 Li-Fi。雖然前景很好，但目前人們在技術上仍舊需要克服很多的困難。[9]
1 Hz 的「光」你見過嗎
Frequency = 1 Hz
前面我們提到了高頻電磁波的的應用，這時候如果我們往另一個極端走，頻率很低的電磁波會是什麼樣子的？
正在加熱食物的微波爐
雖然絕大多數人沒見過，也沒用過甚低頻和超低頻的電磁波，但它確確實實發揮了很重要的作用。我們都知道水對電磁波有很強的吸收作用，比如微波爐就利用這一特點來加熱食物。這點雖然看上去很好用，但有時候也會造成很嚴重的問題，比如潛艇的通信問題。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天線，但是在遇到一些緊急情況的時候，就不能再上浮了，特別是對於大國重器——戰略核潛艇而言，更是不能隨意上浮暴露自己所在的位置。
幸好水對電磁波的吸收還和頻率有關係，對於超低頻的電磁波，它們可以直達位於海面 100 m 以下的潛艇。比如美國和俄羅斯等國就採用 76Hz 和 82Hz 附近的典型頻率進行通信。[10]
圖片來自電影瘋狂動物城
不過前面 Li-Fi 篇也提到了，信號的頻率和傳輸數據的帶寬成正比，**對於超低頻的電磁波，其傳遞信號的速度是真的慢如樹懶，一般來説每分鐘只能傳輸 1 bit 的信息。**實際使用這種電磁波傳輸信號的過程更像是對暗號，花個十幾分鍾通信只夠收到幾個字母或者數字構成的代碼。[11]
頻率更低的電磁波還能不能用呢？理論上其實也可以，這些甚至穿透水面幾百米指揮更深的潛艇。但是發射電磁波的天線其實和電磁波的頻率成反比，超低頻的通信已經使用了幾百公里長的天線，要想往更低頻的通信方向發展，就需要在信號的產生上下更多的功夫了。
上面這麼多關於光的神奇秘密
看到哪個你心動了？
* 封面圖片來自 pixabay
* 參考鏈接:
[1] 熱釋光 - 維基百科
[5] Sonoluminescence, acoustic research
[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
[10] 潛艇在水下是如何通信的
[11] 有無可能發出 1Hz 的電磁波？ - 張浩的回答 - 知乎