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奇妙的光子

2011-02-21 17:43:34 来源:

作者:陈良尧

年复一年,月复一月,日复一日,威力无比又莫不显示出她慈仁的太阳女神像是无止境地把她的光茫和温暖毫不吝啬地送来我们的地球,这颗宇宙间独一无二的星球上。阳光普照大地,施与万物以生命和力量,可我们地球上千姿万态的生命体中又有哪一种能真正感受出光线的本质和意义呢?从古到今,多少年来,有多少的诗人、作家、画家、歌唱家和艺术家们都充满了激情把他们对阳光极尽的赞美之意融进了他们的作品里,世代流传。没有了阳光,世界将是一片黑暗。当日落后的大地被笼罩在另一半时间的黑夜里时,人们先是用火,如用油灯或烛火来照明,后来到了有电的时代,又发明了电灯,把黑夜照亮。这还不够,通过研究,到了近时人们更甚至还造出了光谱的成色接近于天然阳光的人造太阳灯,把漫漫长夜照得如同白天一样明亮。而不仅是现代人,即使是我们的祖先,当被沐浴在阳光带来的光明和温暖里的时候,面对五颜六色和百彩缤纷的世界,已在心里长久地冥思苦想和不倦地探索:这光线究竟是什么?

若要问起光的本质,当要追溯到两千多年前的古希腊时代,大哲学家亚里士多德在当时认为构成自然界的四种元素(火、气、土和水)中又加进了被称为以太的第五种元素,把整个宇宙的空间填满,而正是这种叫以太物质的运动或振动,产生了光。虽然用今天的科学眼光来看,要靠以太才能产生光并实现其传播的学说无疑是有错的,但在学术界直到二十世纪初页,光起源于以太的学说仍占具着统治地位,然而它对于人们早期认识光的本质确起到过十分积极的启蒙作用。

近代科学的理论和实验已证实,光的产生和传播的物质基础并不是虚无飘渺的以太,而是实际存在于宇宙中并可被测量到的电磁场。在真空背景下,光大约以每秒30万公里的恒定速度传播。光无质量,却有能量。弥漫在空中的光线实际上是一种电磁波,它具有波动的性质,只不过比起人们常说起的无线电波来,这是一种波长更短的电磁波。但另一方面,它又看起来像是一颗颗微小的粒子,所以又被称之为光子。它的能量是不连续的,而是一份一份以光子的形式传播。现在人们已知道,自然界中各种不同颜色的光都具有确定的波长,譬如,平时我们所看到绿光的波长约为500纳米,其振动频率约为每秒六百万亿次,换算到能量为2.48电子伏 (一米等于十亿纳米)。虽然交变振动的电磁场会对许多带电物体产生作用,但在高频区,只有质量很轻的如电子这样的微粒才能跟得上具有如此高的光子频率的电磁场的振动,并获得由光子转移来的能量,这也是为什么许多可接收和处理光信号的器件都被称为光电子器件的缘故。

在自然界漫长的生物演变和进化的过程中,使得由人眼的水晶体和视网膜感光细胞构成的生物光电子系统可接收从紫光(约400纳米)到红光(约700纳米)范围内的光子信号,这俗称为可见光范围,也才使得人们能在阳光下诗情画意般地享受到如此色彩斑斓和美丽的自然景色。然而,即使在可见光区,人的眼睛对不同波长光子的感觉灵敏度也是不均匀的,它对绿色光的感觉最为灵敏,对于红和紫两端的感光灵敏度趋弱,直到超出了红紫两端的极限完全看不见为止。虽然由于人眼构造上的局限性,不能使它感受到波长短于400纳米(紫外)或波长大于700纳米(红外)部分的光,但现在人们已经能够研究和制造出各种新型的光电子器件来探测人眼所不能看到的各种光子信号,以弥补人眼性能上的不足。

一个在生活和军事中都有用的例子便是对红外光子的探测和利用。红外光的波长大约覆盖了从0.7微米到数百微米宽广的波区(一微米等于一千纳米)。由于波长较长,红外光子的振动频率也较低,使得一些如离子这样较重的带电粒子也能跟得上光频电磁场的振动而吸收红外光子的能量。殊不知,平时人们常说起的晒太阳的作用,尤其在冬日里,晒在阳光里,浑身觉得暖洋洋,其实正是人的机体吸收了大量的却又是低能量红外光子的缘故。因此,如果说可见光子给人们带来的是无限的光明,那么红外光子带给人们的更是一片温暖。一旦明白了这层道理,聪明的现代人于是便发明和设计出了专供取暖用的大功率红外线辐照炉。一台设计优良的红外取暖器,可把绝大部分的电能转化成红外光子,将其所携带的热能辐射出去而被人体吸收。在需要照明的场合,人们又发明出了高效率的冷光灯,这就是让更多的电能被转化成可见光子辐射出去,而少产生出只会浪费能源令房间里热烘烘却又是看不见的红外光子,或者干脆加一层滤色膜把红外光都滤去,使屋内既被照得如白昼般明亮又依然凉意爽爽。

我们周围的许多发热体都能发射出红外光子,并被红外探测仪检测到,这在军事上特别有用。飞机、坦克和装甲运兵车的发动机就是一个巨大的红外光发射源。装上了红外线跟踪器的导弹则会像长了眼睛一样准确地朝这些热目标飞去。然而,受攻击的一方也会玩出新花招来蒙骗敌方,这便是当敌方导弹飞来时迅速释放出一个或数个比自身发动机等热源更热的假热源来迷惑敌人,自己乘机逃之夭夭。这仅仅是矛和盾武器发展的一个方面。在我们现在已称之为老式的战争中,常依靠那伸手不见五指的夜色来掩护重要的军事行动,因为在漆黑的夜里,敌我双方武装人员的眼睛都什么也看不见,但摸黑主动进攻的一方却往往会取得出奇制胜的效果,来弥补自己或许在武器装备和人员数量上不利的一面。然而在现代战争中,佩戴上红外夜视镜的士兵和配备有红外夜视仪的战车,再加上各种先进的红外夜间侦察设备,武装人员已视黑夜如同白天一样,一切敌方夜间的活动尽落于红外夜视仪的视窗中而无可逃遁。这时在夜里打起仗来,明显吃亏的将是缺少甚至是无夜视装备的一方。一个十分典型的例子便是90年代初美国和伊拉克打的那一仗,夜战中,缺少现代化装备的伊军是吃足了配备有精良高科技红外夜视装备的美军的苦头。这一仗打下来,各国的武装决策机构无不纷纷投巨资争相开发新一代性能更为优良的红外夜视设备,来武装本国的部队,以确保自己在未来全天候现代化战争中的胜利。

红外探测仪在侦破案件方面也有它独到的用武之地。高灵敏度的红外热像仪已有可能把犯罪人员残留于现场的作案热像摄录下来,成为他事后无可抵赖的犯罪证据。又如将手掌按在一叠纸上,当手被移开后,残存的手掌热像仍能透过几十张纸而被红外热像仪清楚地观测到。由此可见,红外光具有很强的穿透能力。间谍卫星也正是借助于红外光子能穿云破雾的独特功能而在几十公里高的太空轨道上对地面目标进行红外遥测和监视,发挥了常规军事侦察手段所难以起到的作用。

目前的红外夜视仪还嫌稍昂贵了些,多半还仅能供军事用途。如不久随着技术的进步而不断降低红外夜视仪的生产成本和缩小其体积,能让普通市民也买得起和用起来方便,敬爱的读者,您是否也想买一具来试试看会是怎样的感觉呢?试想着头带夜视仪如勇士般地去探索黑夜的大山或密林深处的秘密,展示在您面前的定会是另一个美妙的世界。

在光谱区的另一端如紫外光线则具有较短的波长和较高的能量,能被用来杀菌,即在紫外光的照射下,细菌的组织结构由于吸收了紫外光子的能量而遭到改变和破坏,最终遭致死亡。同样的道理,少量较长波长的紫外线照射或许会有益于人体健康,但过量的尤其是短波高能量的紫外光照射对皮肤组织的伤害却是永久性的,长期积累的效果甚至会导致皮肤癌。现代人既想获得日光浴带来的舒适和好处却又害怕被紫外线烧伤了皮肤,于是便发明出了各式各样的能吸收紫外线的油膏,俗称防晒膏,涂在脸、手臂、颈脖和其它裸露的皮肤上,便能光子不入放心地迎头走进烈烈的阳光里而无后顾之忧。不过笔者很想在这里敬一言,并不是目前市面上所有出售的防晒膏都是有用的,只有那些在实验室里真正被做过紫外线光谱穿透试验的产品,方能可信地发挥出它真实的保护皮肤的功能。

比紫外光波长更短的被称之为X光的作用就更大了。它的波长大约覆盖了从0.01纳米到10纳米的范围,约相当于一百电子伏到十万电子伏的能量范围。如前所述,光子具有波动的性质,当物体的尺寸远小于光子的波长时,这样的光子将会完全失去对物体的观察和分辨的本领。所以,在可见光下(约几百纳米的波长范围),人们所能达到的极限至多是在普通的光学显微镜下看清几百纳米尺寸的物体,而看不清尺寸更小的如分子和原子的形貌和结构。X光子就不同了,它的波长可短到与原子尺寸(约0.1纳米)相比,因此可被方便地用来作众多物质的微结构分析。可以毫不夸张地说,目前我们几乎对于所有物质(包括导体、半导体、超导体、磁性体、薄膜、有机高分子材料和生命物质等)的微观原子和分子结构的较为准确的认识,无不都是来自X光探测分析的结果。X光的功劳还不仅于此,在医学上它可被用来作人体骨骼和内脏的透视,诊断疾病,隐秘于人体深处哪怕是刚发生的极微小的病灶,也会在X光的照射下原形毕露,使得疾病得到及时诊断和治疗。高能量的X光还可像子弹一样被用来瞄准杀灭体内的癌细胞。由此可见,在现代医学中,X光确已成了医生们须臾不离的好帮手。

那么,波长和能量分布在这么宽广范围内各式各样的光子又是如何被人们分拣出来的呢?这需要用到一种叫单色仪的仪器,当各种混杂在一起的光子乱纷纷飞进这台仪器后,便都会被它整理得秩序井然,并按波长或能量的大小有序地排列起来。这时,从单色仪狭缝里射出来的将是波长和颜色单纯的光子,来满足人们研究和观察上的各种需要。

在光学上,做成这样一台单色仪的方法有许多种。最常用的如光栅型单色仪,这是利用了波动性的光子能在“光栅”上产生衍射的原理。这里所说的“光栅”其实是刻在具有一定尺寸的光学基板上许多等间距的凹槽,如每毫米1200条或每毫米1800条等,实际条纹数目取决于具体的工作波长和设计要求。光子落在这些细槽上,由于衍射的作用,将引起各光波的振幅和相位发生彼此叠加,反射后的光子便会按能量或波长在空间有规则地排列起来,就可在不同衍射角位置上获得相应波长的第一级衍射光子。具体做法是固定光子的入射和出射狭缝位置不变,而控制光栅的 角转动,就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子。

另一种获取单色光的方法是利用了这样的原理,即当光子通过由两种不同透明媒质组成的界面时,它的旅行路线会被弯折。如设媒质1和2所具有的光折射率分别为n1和n2 , 并且n1 < n2, 那么,当光子从媒质1入射到媒质2时,不同波长的光具有不同的折射率,将在媒质2中沿不同的角度发生折射。人们常在雨过天晴后的夏日里看见悬挂在空中多色的彩虹,其实这正是当阳光穿过仍残留于空中的水汽时发生的光折射现象,亦是大自然以它神奇的力量造成的一个天然“单色仪”的例子。

如果反过来将光子从媒质2入射到媒质1,会有什么现象发生呢?由于n1 < n2,在某一入射角条件下,光子将无法进入到媒质1而发生全反射。如果媒质2是夹在两块媒质1之间的一片平板玻璃,在理论上,发生全反射后的光子将会无任何能量损失地在媒质2中作反射式前进。这个现象对于现代光通信来说实在是太有用了。

众所周知,人与人之间老式的通信来往是靠着书信和书报等方式完成的,因嫌其走得慢,待发明了电以后,于是又有了电通信,如电话、电传、电讯网络和有线电视等更先进的方式,这多半是以电子作为信息的载体并依赖于电线传输的,这使得通信的速度、质量和容量都获得了大幅度的提高。然而,当进入了更近代的信息量“爆炸”的多媒体时代,即使再快的电子通信的方式也出现了瓶颈困难。这主要遇到了两大难题,一是高频的数据传输信号在电缆中的能量损失,这限制了数据传输频率和速度的进一步提高;二是带有不同信息量的电子不能重叠和相交,即电线不能短路,这限制了通信容量的进一步扩大,除非是投入更多的钱和铺设更多的电缆,这无论在经济还是在工程上都是不切实际的,并受到诸多因素的限制。但是若用光子作为信息传播的载体,即实现所谓的光通信,便能在很大程度上使上述两大难题迎刃而解。

光通信的主要传输通道是光导纤维,通常由光子能量损耗很小的高质量石英玻璃制成,直径约数微米至数十微米,在芯线外面再淀积上一层具有比芯线更低折射率系数的保护层。载有各种数据信息的近红外光子(其波长约为1.3微米)被用特殊的方法引入光纤中后,由于光的全反射原理,这些光子即被锁在光纤中,再也逃不出去了,而只能沿着光纤的路径飞速前进,便能很容易地一走就是几十公里,甚至是几百千公里,把内容丰富的各种信息高速度和高质量地传输到遥远的地方,传到地球的每一个角落。

这里可给读者一个数量上的比较,通常采用载波的方法,一对铜质电线可同时传输几十路电话,而一根短距离的高频同轴电缆传输的电视信号约相当于1300路电话的容量,若采用光纤传输,单根光纤就能远距离同时传输相当于12000路电话的信息量。

光子还有一个独特的优点就是不会“短路”,即不同波长的光子在同根光纤中旅行时即使相遇也不会彼此打架和干扰。这启发了人们可采用多波长光子进行更高容量信息的传输,每个波长的光子传输一路信号,各路波长的光子都携带着自己的信息在共同的光纤管道中友好地握手狂奔,一直奔到头了再分手,再被专门的分光器把各路光子分出去。采用这种方法,目前的光通信已具有每秒传输10京数字位的容量 (1京等于一千个百万),并随着光通信技术的迅猛发展其信息传输的速度和容量还在不断提高。也正是依靠了光子的这种奇妙的特性,人们今天方能够将数据、声音和图象混合在一起进行几乎是实时地远距离高速度传输,而进入到令人心旷神怡的多媒体信息时代。

神奇的光导纤维不仅可被用来传输信息,还可被用来照明,这在医学上特别有用。可见光的光子能在纤细柔软的玻璃或塑料光纤中行走,当医生小心翼翼地把光纤送入人体内部时,从光纤端口溢出的光子便能把人体内的组织照亮,同时也把组织病变的信息通过光纤再传回来,其信号由专门的光电子设备接收后再被转换成在荧屏上可见的视觉图象,如通常在医院里做的食道镜、胃镜和肠镜检查等等,都是借助了光导纤维方得以完成。光纤技术还把一些从前要剖腹开刀做的大手术也改掉了,现在医生们只需在病人肚皮上开几个小口子,然后把微型手术刀和光纤顺着口子伸进肚里,便能在光纤的照明下把体内有病的组织切除干净,如胆囊和盲肠切除等手术如今都可用这种方法来完成,减轻了病人许多痛苦。用光纤还能制成高功率的激光刀,用于灼除某些肿瘤,如用来无痛治疗前列腺肥大症等,可获得很好的效果。

进入本世纪的九十年代以后,人们已可以便宜地在市面上买到各种高保真度的激光唱片和激光影视光盘,从而能欣赏到美妙动听的音乐和逼真的画面,这里面也有着光子的一份不可磨灭的贡献。其实,记录在激光唱片和影视盘上都是一个个具有两种不同反射系数的小斑点,代表了0和1两个数字状态。当聚焦后的激光束照射在这些斑点上时,反射激光束的强度也依斑点而改变。譬如,较弱的反射光信号代表了0的数字状态,并与反射系数较低的斑点相对应,则较强的反射光信号便代表了1的数字状态,并与反射系数较高的斑点相对应。这样,光子就能把光盘上储存的数字信号都准确无误地读出来,再被转换成真实的音乐和影视信号,供人们欣赏。

二十世纪已快进入了尾声,再过几年,我们都将跨入新的世纪。回顾过去,展望未来,如果说,即将过去的世纪是一个电子的时代,如电灯、电话、电报、电视、电传、电脑、电子音响、电子玩具和电子游戏××××××,等等,已与人们的日常生活和工作结下了不解之缘,那么到下一世纪,人们将进入一个光子时代,这已于现在就看出它的雏形和未来的发展来了,如光笔、光盘、光纤、光刀、光开关、光扫描、光探测、光遥感、光通信、光互联、光集成、光放大、光泵浦、光电池、光切割机、光计算机、光子全息摄像、光子工厂、光子医学诊断和治疗××××××,等等,这些众多与光子有关的名词及其功能都已流行并开始服务于社会,都已早早地踏入我们的生活和研究领域里来了,已经并将继续获得蓬勃的研究和发展。人们也已不再仅是满足于对天然阳光的利用,而更是能用人工的方法产生出各种不同波长、能量和强度的光子来。我们人类将满怀信心,在科学上作出更多的努力,以迎接光子时代的到来,同时也将把光子当作人类未来生活和工作中的忠实伴侣,让它更多地服务和造福于人类。

 


应友人之托于1997年6月,略去了一些显示有困难的公式和字符。
 

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