和光有关的，五个你不可不知的秘密_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-04-21 14:57
原创：中科院物理所
**光，**其实可以有很多的含义…
比如头发掉光光
半点钱没有，一直月光
不过上面这些都不是今天要聊的话题。今天我们要聊的是正经的「光」，还有五个和光有关的你不可不知的秘密。
在你的手机屏幕里，藏着一个大太阳
There is sun in your screen
现在说起黑体辐射，我们脑子里想到的第一个东西往往是**「两朵乌云」**。通过对黑体辐射的研究，人们发展起了量子的概念，彻底变革了对于微观的认知。虽然这个故事发生在一百年前，但黑体辐射的概念，现在也藏在你的手机屏幕里。
**黑体是指可以百分之百吸收外界电磁辐射的一类物质。**作为一个理想中的概念，实际上在现实生活中并不存在。不过我们可以找到很多和黑体很相近的东西——比如我们头上的大太阳。很多人无法理解，太阳那么亮，为什么我们还要叫它黑体呢？
利用电磁涡流加热金属，随着金属的温度不断升高，其颜色也逐渐发生变化
我们可以想象一块金属逐渐地升温。该开始它还是接近黑色的，但是随着温度逐渐升高，金属也慢慢地冒出红光，然后再升温，颜色变得更偏黄一点。这就是一个典型的黑体辐射。如果我们把太阳不断地降温，太阳也会变得黑乎乎的。
不同色温的光对比图
其实我们的手机屏幕里，就藏着一个太阳。屏幕其实就是一个光源，光源的温度，也就是色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是光源的色温。色温越高，屏幕越偏冷色调；色温越低，屏幕越偏暖色调。我们很多手机屏幕以 D65 为白色 ( 6500K)，也就是色温为 6500 K。好像还比太阳的温度高了那么一丢丢。
又热又冷的发光效应
Hot and cold
在我们的生活中其实有很多超级好玩的发光现象，其中一些甚至到现在科学家都没有给出一个十分合理的解释。我们日常生活中常见的发光光源大体上可以分为两种，热发光和冷发光。
一颗发光的星星
白炽灯是热发光的典型。在温度较低的时候，物体黑不溜秋的并不发光；只有在温度逐渐升高以后才会放出电磁辐射，发光发热。冷发光则在现代生活中更为多见，比如我们平时所用的 LED 灯光，现在的手机屏幕所使用的发光原理，都是冷发光。物体在发光的过程中并不会产生太多的热量，而是大致维持在常温水平上。
在冷发光里，有一类被称为**「热释光」的发光效应，有时也被译作热荧光** [1]。虽然它名字里带有「热」字，不过却是是一种冷发光现象：一些晶体（例如矿物质）在被加热时，原来吸收并储存在晶格缺陷中的能量通过电磁辐射，以光子的形式释放出来。这个现象和黑体辐射还不太一样，黑体辐射是纯粹的热导致的发光效应，和物质的结构没有关系。
热释光效应最常见的用途是，鉴宝。[2]
瓷器。图片来自 BBC 的《鉴宝路秀》（Antiques Roadshow）
在考古学中，通过热释光效应可以鉴定陶瓷这一类烧制文物的年代。前面也提到了，热释光由晶格缺陷产生。在陶瓷的胎和釉中含有各种各样的矿物晶体，如石英、长石和方解石等，在经过烧制以后，这些晶体内部排列会比较整齐，缺陷也比较少。但是因为我们的环境中天然地存在很多高能辐射，辐射总体的量虽然不大，但是日积月累之下，晶体内部的缺陷变得越来越多，其热释光效应也就越来越明显。通过观察文物热释电效应的强弱，考古人员就可以确定文物到底是哪个年代，是不是造假的了。
金刚石结构的晶体内部原子排列方式示意图
通过热释光鉴宝稍显可惜的一点是，目前仍然需要从文物上采集一点样品才能进行分析，属于破坏性的分析手段。当然人们也在试图寻找不破坏就能推断文物年代的方法。
声致发光
Sonoluminescence
用嘴巴嚼冰糖就能发光，没见过了吧。看不清的话可以试试到暗处把屏幕亮度提高。图片来自参考链接 [3]，感谢师兄的友情出镜~
在冷发光中，有一类非常特别的发光现象——力致发光。对很多常见的物体施加特定的力以后，它们就会发光。比如我们最近在正经玩玩过的冰糖发光实验 [3]，**在黑暗的环境下嚼一嚼冰糖，也可以发出幽幽的蓝光。**我们平时撕的透明胶带，只要你撕的足够快，也能看到「火花带闪电」一般的荧光。这里提到的两个例子实际上都是因为在晶体断裂的地方或者胶带被撕开的地方，材料结构不对称发生电荷转移所导致的。这里的电压甚至有可能达到上万伏特。[4]
撕胶带也能撕出蓝光来。电荷分离导致约 40,000 伏的电位差，可以在黑暗的环境中实现。Credit: C. Camara and Juan V. Escobar
用声音，同样也可以让发光。
如今我们已经知道声音实际上是物质结构疏密的周期性变化所导致的。向液体中发射频率非常高的超声波，由于液体来不及相应外界压强的快速变化，会在液体的内部产生小泡泡。而这些小泡泡，就会让液体发光。
用声音导致液体中发光的发光机制被称为声致发光 (sonoluminescence)，最早在 1934 年由德国科隆大学的 H. Frenzel 和 H. Schultes 在研究声纳的过程中发现。他们当时为加速相片显影，将超声波发生器放到注满显影剂的水槽中。但万万没想到每当超声波开启时，液体中的气泡便发出光来，二人后来在显影后的底片上观察到一些微小的亮点。[5]
在气泡瞬间收缩的时候会发光, 图片来自[5]
因为声波的频率非常高，流体中声波的能量十分集中，整个发光过程十分地短暂，每个闪光的时间大概仅仅为 0.0000000001 s。这些热点的直径小到 10 纳米，大到 100 微米。为了保证它们的光照强度，在发光瞬间流体内部的气泡这个点需要达到几万度的温度。研究流体中的空穴，人们已经有了很多行之有效的办法，但是对于这些条件极端的空穴，却显得很力不从心。
Rayleigh–Plesset 方程式经常应用于研究空穴现象中的气泡，照片显示的是运动中的螺旋桨产生的气泡，图片来自维基百科 [6]
原因在于这些空穴的产生得实在太过迅速，而空穴内部气体的组分又十分地复杂。**目前认为，水中的惰性气体在这里面扮演了一个十分重要的角色。**在空穴收缩的过程中，空穴内部迅速升温，游离的电子和惰性气体原子相互作用从而产生辐射现象。[7]
关于声致发光，有人想过，如果空穴内部的压力和温度足够高的话，那能否用它来进行核聚变呢？想法很美满，现实很骨感。尽管有部分研究人员声称他们利用声致发光实现了气泡核聚变，但目前为止并没有人能够重复出实现核聚变实验结果。气泡核聚变之路距离真正实现还十分的遥远。[8]
Li-Fi
Visible light communication
我们现在的 4G 时代，以及即将到来的 5G 时代，上网刷视频看文章用来传输数据都是使用的电磁信号。人们把信号编码在电磁波中，就可以通过电磁波来进行远距离的数据传输了。对信号编码的方式从根本原理上来说其实就两种，调节幅度，调节频率。因为幅度的英文单词 amplitude 第一个字母是 A，调幅也被简称为 AM；频率的英文为 frequency，调频被简称为 FM。
调频和调幅示意图
**所以频率越高，其实就等于对信号的做小动作的可能性越大，从而单位时间里面就能传递更多的数据和信息。**如果我们把每个单位时间都利用起来传递信息，自然可以想见，频率其实就是信号传输的速率，带宽了。常见的诸如 Wi-Fi 的频率为 2.4GHz，换算过来理论上其传输信号的理论上限就是每秒传输 2400000000 位的数据，也就是千兆量级。
但是，如果我们使用光来传递信号呢？光的频率则要在 Wi-Fi 频率后面再加 5 个 0。理论上，其传递信号的速度要比现在常用的数据信号强非常多。看到这么强大的数据传输能力，怕是不管谁都想要流口水啊。
用光来实现传输信号的 Li-Fi 技术示意图
这个技术目前就被称为 Li-Fi。虽然前景很好，但目前人们在技术上仍旧需要克服很多的困难。[9]
1 Hz 的「光」你见过吗
Frequency = 1 Hz
前面我们提到了高频电磁波的的应用，这时候如果我们往另一个极端走，频率很低的电磁波会是什么样子的？
正在加热食物的微波炉
虽然绝大多数人没见过，也没用过甚低频和超低频的电磁波，但它确确实实发挥了很重要的作用。我们都知道水对电磁波有很强的吸收作用，比如微波炉就利用这一特点来加热食物。这点虽然看上去很好用，但有时候也会造成很严重的问题，比如潜艇的通信问题。在海面以下的潜艇如果想要通信，往往只能上浮到海面上才能打开天线，但是在遇到一些紧急情况的时候，就不能再上浮了，特别是对于大国重器——战略核潜艇而言，更是不能随意上浮暴露自己所在的位置。
幸好水对电磁波的吸收还和频率有关系，对于超低频的电磁波，它们可以直达位于海面 100 m 以下的潜艇。比如美国和俄罗斯等国就采用 76Hz 和 82Hz 附近的典型频率进行通信。[10]
图片来自电影疯狂动物城
不过前面 Li-Fi 篇也提到了，信号的频率和传输数据的带宽成正比，**对于超低频的电磁波，其传递信号的速度是真的慢如树懒，一般来说每分钟只能传输 1 bit 的信息。**实际使用这种电磁波传输信号的过程更像是对暗号，花个十几分钟通信只够收到几个字母或者数字构成的代码。[11]
频率更低的电磁波还能不能用呢？理论上其实也可以，这些甚至穿透水面几百米指挥更深的潜艇。但是发射电磁波的天线其实和电磁波的频率成反比，超低频的通信已经使用了几百公里长的天线，要想往更低频的通信方向发展，就需要在信号的产生上下更多的功夫了。
上面这么多关于光的神奇秘密
看到哪个你心动了？
* 封面图片来自 pixabay
* 参考链接:
[1] 热释光 - 维基百科
[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 吗？ - DD YY的回答 - 知乎
[10] 潜艇在水下是如何通信的
[11] 有无可能发出 1Hz 的电磁波？ - 张浩的回答 - 知乎