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看天下 / 猎奇 / 正文

你知道吗?人类能看见彩虹,并不是一个巧合

MJ
来源:把科学带回家
524 2017-12-29

▼ ▼  用看的 ▼ ▼

麦克斯韦的出现让牛顿为代表的粒子学说彻底失败了,同时也给牛顿最有名的光学发现赋予了新的解释。

用一道白色的阳光照射到一个三棱镜上,白色的阳光通过后会散开成彩虹的颜色,红橙黄绿青蓝紫依次排开。牛顿很早就发现了这个现象,但是包括牛顿自己,一直没有人对这个现象做出一个合理的解释。为什么颜色会分散开来,有为什么会按照红橙黄绿青蓝紫的顺序排列?

现在了有了麦克斯韦,我们知道了光只是一种电磁波,那么不同颜色的光线就是不同的电磁波。它们的差别只是波长不同。所有的波,都是一个循环震荡的过程,对于波来说有一个重要信息。那就是相邻两个波峰之间的距离,也就是波长。

红光的波长有六七百纳米长,紫光的波长有四五百纳米长。彩虹的颜色,从红色到橙色、黄色,最后到紫色波长是逐渐减小的。三棱镜之所以会让白光分散成为彩虹,就是因为不同波长的光,它们在玻璃中的折射角度是不同的,所以红光弯的小一点,紫光弯的大一点。而白光呢并不是一种独立的颜色,而是包含了所有颜色的光线。所以只要发现了白色,那么它里面一定包含了彩虹的所有颜色。

大家可以看一下下面这个图,白光分散开之后就是这个样子。我们可以注意到,在红色的左面和在紫色的右面是一片黑暗,那里是没有光的。如果我说,这一束白光就是由红橙黄绿青蓝紫这几种颜色组成的,不可能有其他的光包含其中,它们就是全部。那我想你应该是不会有任何怀疑的。

可事实却是意想不到的。这还要从 200 多年前的 1800 年说起,主人公是威廉 · 赫歇尔。如果你对天文学感兴趣,那么这个人你一定不会陌生。就是这个赫歇尔用望远镜发现了天王星。而今天的这个故事和天文无关,讲的是他的一次意外发现。

赫歇尔晚上观察星星,白天也不会闲着,而是会去做实验。有段时间他就想搞明白一件事情。首先,我们是知道的,光线和温度是有关系的。我们站在太阳光下,总是可以感觉到暖洋洋的,甚至到了夏天还会觉得很热。而现在我们知道了太阳光里面是有很多颜色的,那到底哪一种颜色的光会带来更多的热量呢?是红色还是紫色,或者是绿色黄色之类的其他颜色?赫歇尔就像搞明白这件事情。

于是,他就准备了一排的温度计,分别放在了已经通过三棱镜散开的彩色光线之下,每种颜色下面都有一个温度计对应。除此之外,他还多准备了一个温度计放在了红光的外面,是没有光照在上面的。本来这个温度计只是用作对照用的,并没有期待他有什么变化。因为这里没有光照射,所以这个温度计的温度应该是不会受到影响,随后只要把其他温度计的数值和这个一减,就知道分别增加了多少。结果让他没有想到是,正是因为这个不做期待的温度计,做出来伟大的发现。

等他把一切都准备好了,然后就走出实验室,过了一段时间之后再回来看,结果却令他大吃一惊。所有温度计中,温度最高的既不是紫光下面的,也不是红光下面的,甚至不是任何光下面的,而是放在红光外面没有任何光照射的那个温度计。

为什么会这样呢?解释不通啊。最后赫歇尔不得不做出判断,在红光的外面还有一种光存在,只不过这种光很特别,我们眼睛看不见。这就是我们现在所说的红外线了,也就是红色光外面的光线。它才是让温度升高的主要原因。它的波长比红光还要长,可以达到 760 纳米到 1 毫米之间。

有了这个重大发现之后,赫歇尔当然会想到既然红光外面有看不见的光,那么蓝光的外面会不会也有看不见的光呢?我们现在知道,赫歇尔的猜想是对的,紫色的光外面是紫外线,但是赫歇尔并没有发现。这是因为,他仍然是想通过温度计来发现紫外线,但是紫外线几乎不会让温度升高,于是他错过了这个机会。

紫外线的发现是在第二年,也就是 1801 年,一个德国科学家里特,他没有用温度计,而是用了一种叫做氯化银的化学物质。这个物质对光很敏感,通过它里特发现了紫光外面的确还有一种看不见的光。到 我们现在知道,紫外线的波长是比紫光还要小的,小于 400 纳米,最小的能有 10 纳米。

到现在,我们知道了,我们平时说的光线真的是很普通的一类电磁波,只不过是波长在 450-750 纳米之间。我们之所觉得他们很特别,只是因为我们人类眼睛的特点只能识别这个范围内的电磁波。所以,我们也把波长处于这一段范围电磁波叫做可见光。其实也有一些其他动物,它们的可以看见的光的范围要比我们人类更广的,不过相差不会太远。就比如说蜜蜂能看见紫外线。我们看起来是白色的花朵,在它们看来上面是有紫外线花纹的。

可是,为什么必须是这一段的电磁波是可见光呢,就不能是其他范围的电磁波吗?还是说这只是一个巧合。如果生物再进化一次的话,会不会选择的就不是这一段范围,而是另一段范围了呢?这种情况并不太可能发生,因为可见光还真的是有些特殊的地方,就是它们在空气中和水中衰减的比较慢。同样强度的电磁波,如果波长在可见光范围之内,那么在空气中和水中衰减的就慢,于是就可以传播更远。

假如远古时代,真的出现过只能看见红外线或是紫外线的生物,因为这些光线在空气中或是水中衰减的比较快,所以肯定不会像可见光一样能传得更远。如果这样的话,再出现可以接收可见光的生物,那么它们就可以看到更远的地方,这样的话一定会在竞争中取得胜利的,最后那些只能看见红外线和紫外线的生物就会被淘汰了。

当然了,电磁波是一个很庞大的家族,除了可见光、紫外线和红外线之外还有很多。比紫外线波长更短的是 X 射线,比 X 射线波长还要短的是伽马射线;比红外线波长更长的是微波,比微波波长更长的是无线电波。

我还可以再举个例子来说明这一点。望远镜大家应该都知道,不过说起望远镜来大家想到的都是可以那里直接看到远方,甚至看星星的天文望远镜吧。这些望远镜都是通过可见光来观察的。现在我们知道了,光的本质是电磁波,电磁波的家族成员又这么多,那么其他波长的电磁波能用来做望远镜吗?答案是肯定的,而且它们的作用在天文研究中还非常重要。

美国就有过一个大型轨道天文台计划,就是会发射 4 颗大型空间望远镜到太空中,通过它们观测宇宙。其中最有名的是哈勃望远镜,它负责观察可见光范围的电磁波。剩下的三台分别是,康普顿伽马射线天文台、钱德勒 X 射线天文台,以及施皮策红外线太空望远镜。这四台太空望远镜,几乎涵盖了全部的电磁波范围。

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