05 光物質 Light Matters

  光是如何產生的呢？在回答這個問題之前，讓我們先看看身邊多種多樣的發光物體：首先是日常生活中的燈具：基於金屬絲髮光的普通燈泡；螢光管；我們之前提過的雷射筆；從烤麵包機到汽車儀錶盤等電子設備上的指示燈；陽光，當然還有星光；在地球南北極地才可以有幸看到的極光；不僅如此，還有螢火蟲、螢科蟲類以及船尾的磷光[1]等等。這些千差萬別的物體是通過什麼樣的方式產生了一個共同的產物——光的呢？

  這個問題的答案是，它們都涉及物質——都涉及電荷的轉移。當這些電荷加速時，也就是說當它們改變運動速度或者方向時，就會產生光。這是一個簡單的物理原理，對它的認識是電磁學理論的偉大成就之一。電場的起源是電荷，比如原子中的電子，其所產生的電場會延伸到整個空間，並吸引像質子一樣的帶異性電荷的粒子，且這種吸引力會隨著其與電子間距離的增加而迅速減弱。正如我在第3章提到的，這是靜電產生的力。

  振盪原子與彎曲電子

  現在假設電子突然運動起來，它周圍的場也必定會隨之改變，這是因為兩者間有著千絲萬縷的聯繫。圖25描述了這種電場的變化，它看起來像一個「扭結」。位於電場中的質子並不會立刻感應到這種電場的變化，事實上，從電子發生運動到質子感知到電場變化，這之間有一個時間差。在這期間，「電子發生了運動」這一信息是以光速由電子向質子進行傳播的。當質子感知到變化之後，質子會根據電子的運動方向而做出反應：如果電子靠近質子，那麼質子受到的電場會變強，從而受到更大的力；如果電子遠離質子，則質子受到的電場變弱，從而受到的力減小。

  現在假設電子來回運動，它周圍的電場也會隨著這種振盪同步發生變化，並且傳播到質子所在位置，質子受到這種變化的電場作用發生振盪。振盪的電場(以及相關的磁場，這裡我們不展開討論)正是我們所說的光。

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  圖25　a.靜止電荷的電場線；b.加速運動電子的電場線。當電子加速運動時，如圖中電場線的轉折(或「扭結」)所示的電場的變化，會以光速遠離電子

  由於最簡單的氫原子只包含一個電子和一個質子，所以我們可以由氫原子入手，理解原子是如何產生光的。首先，讓我們考慮一下，當一束光照射在基態原子上時會發生什麼。光迫使原子內部的帶電粒子——電子和質子——發生運動。但是由於電子比質子輕得多，在給定相同作用力的情況下，電子更容易運動，所以我們可以把質子看做是近似靜止的，只考慮電子相對於質子的運動。事實上，電子以光的電場頻率振盪，並隨著電場的變化交替進行加速或減速。

  這有點像幫孩子盪鞦韆的過程。使鞦韆盪起來的最好方法就是按照鞦韆的自然振盪周期同步推進，也就是說，在鞦韆每次運動到最低位置時推一把孩子。即便如此，想讓孩子在鞦韆上盪得足夠高也需要費一番力氣。孩子盪到最高位置時的加速度最大，而在最低位置處的速度最大。原子內部的電子也是如此，光束的能量被原子吸收，並轉變為電子的運動。

  假設你現在停止推鞦韆，會發生什麼呢？孩子會以越來越小的幅度呈弧線擺動，最後慢慢停下來。同樣，原子也是如此。電子逐漸停止振盪，並把自身的動能轉換為光能輻射出去。這就是光的輻射過程，也是例如霓虹燈、螢光燈和雷射筆等眾多光源發光的原理。

  在上面的說明中，我假設原子內部的電子之所以發生振盪，是源自一些光束的照射，才導致了光的輻射過程。從某種意義上來說，這就引出了一個問題：最初的這些光是如何產生的呢？事實上，我們可以用其他方法來「激發」原子從而產生光。例如，人們可以簡單地通過加熱材料來達到這一目的，普通燈泡就是這樣一個例子。讓電流通過金屬絲，金屬絲會被加熱到很高的溫度(有幾千攝氏度)。隨著金屬絲的溫度越來越高，電子開始與原子互相碰撞，且碰撞的次數越來越多。這種碰撞激發了原子，也使得電子迅速地加速或者減速。通過這一過程產生的光具有很寬的顏色範圍，具體會產生什麼顏色的光取決於材料被加熱後所達到的溫度，而不取決於構成這種材料的原子類型。

  電也可以通過其他途徑產生光。例如，在發光二極體(light-emitting diodes，縮寫為LED，常用於顯示器的製造)中，通過它的電流或者說是電子流，可以被原子直接捕獲。這種產生光的方法比利用熱源產生光的效率要高得多。螢光管也是利用電流直接激發原子，但這發生在充滿氣體的燈管中。不僅如此，許多不同的化學或生物反應都可以釋放能量，其中一些能量會以光的形式離開原子或分子。這還可以用來解釋螢火蟲是如何發光的。

  正如我們之前提到的，加速度具有兩個方面的含義：一個是速度大小的變化，正如之前提到的氫原子中電子和質子速度的變化；另一個則是方向的變化，哪怕速度保持恆定時也一樣。加速度的方向變化在汽車轉彎時很常見。當汽車轉彎時，你被推到車門的一側或者座位的一側，並感受到有一種力使你隨著車一起轉向。當你轉彎的速度越大，你感受到的力也越大。這表明你在加速，即使在行駛速度上並沒有發生任何改變。

  當帶電粒子經歷這種只改變運動方向而不改變速度的運動時，它們也會發出光。想像一下，一群電子被迫做圓周運動(你可以想像成它們被固定在旋轉的車輪邊緣處)時，由於這個角加速度的存在，它們會產生光。隨著電子做圓周運動的速度不斷增加，光的波長會變得越來越短，因而光子的能量也越來越大。以這種方式產生的光稱為同步輻射，這也是產生X射線的一種常用手段。它還與南北極極光的產生有關：來自太陽的帶電粒子進入大氣層時受到地球磁場的作用進行螺旋運動從而產生極光。

  量子光的生成過程

  以上提到的這些基本機制是所有光源產生光的基礎。但是當一些原子以群體的形式進行活動時，它們的行動方式會對最終輻射出的光的特性產生強烈影響。正如我在第1章中所提到的，普通燈泡發出的光與雷射筆發出的光截然不同。為了理解這一點，我們需要深入研究原子的結構，因為原子的發光過程並不能完全類比成孩子盪千秋的過程。由於原子和分子是量子力學實體，因此對於原子的發光過程，我們需要考慮一下它們的量子特性。

  就我們目前討論的問題而言，原子或者分子的量子特性僅僅意味著它們中的電子只能保有固定的能級。如果使用我們的盪鞦韆模型，這就意味著盪鞦韆的最大擺動幅度不能為任意值，相反，幅度被限定為幾個特定的值，也就是說它的值是量子化的。更具體地說，鞦韆擺動的能量來自離散的「小包裹」或量子單元。當你推動鞦韆的時候，你只能使鞦韆以一個或者多個量子單元進行擺動。在原子內部，這意味著當電子吸收或者發射出單個光子時，電子的能量只能以上述的不連續單位發生躍遷。與日常生活中的能量標準相比，電子發生躍遷需要的能量非常非常小。把你房間裡的燈打開，它消耗能量的速率是每秒60焦耳(Joules)，即60瓦(W)。而燈泡中的原子發射的單個光子的能量大約為10-18焦耳，因此，一個燈泡每秒發出超過1018個光子。

  圖26　一個原子吸收光子(a)、自發輻射(b)、受激輻射(c)的過程

  只要用適當頻率的光照射在原子上，原子就會進入激發態，如圖26a所示(當然，我們還可以用其他的方式激發原子，例如給介質通電流等)。現在，根據量子理論中電子的躍遷運動可以推論出，當原子中的電子處於任一離散能級時，都是非常穩定的，因而不會主動發射光。電子就好比是放在櫥櫃中某一層架子上的球，從理論上來講，它可以通過掉落到下一層架子上來降低能量，但這在實踐中是不可能發生的，除非你稍微推一下它，不然球自己是不會滾落下來的。

  這麼看來，量子物理學似乎表明原子是不會發光的，因為你一旦把原子中的電子放在那些特定的軌道上，它們就會一直保持穩態，不會發光。事實上，除非電子處在最低能量狀態，還存在一個推力將電子從較高能級躍遷到較低能級，否則是不會發光的。令人驚訝的是，這個推力是憑空產生的。

  在第4章中，我提到了量子物理學最奇特的特徵之一：即使是空曠的什麼都不存在的空間，也充滿熱火朝天的「真空波動」。電磁場中的這些波動可以使原子中的電子躍遷到一個較低能級，並且，由於能級躍遷而產生的能量會以輻射光的形式釋放出來。這個原子從較高能量的激發態躍遷到較低能量的基態，並釋放出一個光子的過程，就叫自發輻射(見圖26b)。每一個原子都能自發輻射。這一概念最初由愛因斯坦提出來，是為了解釋光束與它所照射的物質之間的能量平衡關係。如果原子不發生自發輻射，那麼原子就會保持住來自光束的能量。在這種情況下，我們平時到處都能看到的情況，即大部分事物都處於一個與其周圍環境穩定平衡的狀態，就基本上不可能存在了。

  愛因斯坦認為自發輻射的核心奧秘就是它是一個隨機過程。你不能確切地說出任何給定的原子何時會躍遷。你唯一可以說的是，平均來說，在一段時間(這取決於特定的原子，但是一般來說大約是一萬億分之一秒)內，在一個大的原子集合中，大約三分之二的原子會輻射光子。然而，這種基本隨機性的起源一直是個謎，一直到1927年，保羅·狄拉克(Paul Dirac)的量子場理論指出，量子真空波動是這種隨機性產生的根源。他說一個根本不包含光子的場可以擾亂受激原子的穩定性，這一觀點與我們的直覺相悖。一直到20世紀50年代，蘭姆(Lamb)的測量才證明狄拉克的解釋是正確的。

  這意味著，即便是我們在日常生活中習以為常的現象，例如由電視屏幕上的發光二極體(LED)生成圖像，其核心也具有由量子力學產生的這種基本隨機特性。與之相對，原子受到外界光的照射從而被迫釋放能量輻射光子的過程被稱為受激輻射。這種將原子的能量回收到光場中的方式沒有隨機性。這使得雷射的產生成為可能。

  相干性：步調一致

  當原子和帶電粒子各自「隨意運動」時，如果數量較多，那麼它們輻射出的光就會是一組不協調的波[2]。即使是尺寸小到只有1毫米的發光二極體(LED)，裡面也有大量的原子，所以這種情況是很常見的。

  這種發出不協調光波的輻射有一個特徵，就是每個原子都會隨機發射光子，與周圍的原子在做什麼無關。因此，光是向各個不同方向輻射的，且光子會在不同的時刻被發射出來。實際上，輻射過程的隨機性表現在原子所產生光強度的隨機性上。

  假如將一個光子探測器放在燈泡前面，我們可以看到探測器輸出的電流非常嘈雜，這是因為照射到探測器上的光的強度變化快速且隨機，說明在每個時刻到達探測器的光子數也是隨機的。

  如何才能使原子步調一致，從而使光波具有相干性呢？我們可以回想一下之前的類比：想像有一些鞦韆，且每一個鞦韆的擺動頻率都是相同的。這些鞦韆開始進行隨機擺動，那麼就會出現以下兩種情況：第一種情況是這些鞦韆的擺動是不同步的，即在任何時刻，各個鞦韆都會運動到其固定軌跡上的不同位置。第二種情況則是這些鞦韆的擺動是同步的，即相鄰鞦韆間的軌跡差異是固定的，就好比足球比賽中場上觀眾按照順序依次站立和坐下形成的人浪。在第一種情況下，從這些不相干的原子發出的光就像燈泡或者發光二極體發出的光，這種光是不相干的。在第二種情況下，原子們產生一致的振盪，它們產生的光以一種相干的形式發出，所有的光子都往同一個方向輻射。這就是受激輻射過程中會產生的情況(見圖26c)，它是雷射器的基礎。

  雷射

  雷射器也許是20世紀光學領域最重要的發明。這個設備產生了非常有用的光束，革命性地改變了光的應用範圍和性能。雷射器可以作為一個特定的照明光源使用——例如在顯微鏡和光譜學中，不僅如此，還提供了一種能將大量能量沿特定路徑引導到特定目標上的手段，從而控制物質的動力學。這類應用的一個極端例子就是用雷射驅動原子聚變，使得新形式的核能得以利用，從而提供大量的能量。我們將在第7章對其進行討論。

  雷射器包括一個光學放大器，也被稱為增益介質，其原子通過受激輻射產生光。它被放置在兩個反射鏡(可能還有其他光學元件)所組成的光學腔中。隨著原子不斷地發射光子，光學腔內的光子數會逐漸增加，直到原子釋放的能量與由反射鏡從光學腔泄漏出來的能量達到平衡。說得更詳細點，當放大器被接通時，從放大器輻射出去的光會被光學腔末端的反射鏡反射回來，這就進一步刺激了受激原子的輻射，從而使光學腔內的亮度增加。在另一端的反射鏡處，一部分光作為有效輸出從腔中透射出去，一部分光則返回增益介質繼續激發原子產生光子。當光通過放大器進入光學腔的速率等於光通過鏡子透射出去的速率時，我們就說雷射器處於閾值。超過這個閾值，放大器增益的任何增加(原子進入受激狀態的速率)都會導致腔內強度的增加，從而導致輸出光的增加。

  光學腔對於雷射的顏色有一定的限制。結果表明，獲得最大增益的頻率是那些在每次往返過程中都會發生相長干涉的光波所對應的頻率。這意味著在腔內往返一次的長度應該等於半波長的倍數。滿足這種諧振條件的頻率即符合諧振腔模式。

  雷射器之所以重要，是因為它們發出的光是相干的：所有的光子都以相同的顏色朝著大致相同的方向運動。其中運動方向由光學腔決定，而顏色則由增益介質中的原子和光學腔共同決定。這就使得雷射是以雷射束的形式存在的，它與你想像中的「光線」非常相近。它在傳播過程中仍然會因為衍射而發散，但是其發散程度已經微乎其微。這種特性也意味著雷射可以用透鏡或者平面鏡聚焦成一個特別小的光斑。

  除了相干性之外，與燈泡發出的光相比，雷射的第二個優勢是它的顏色更純。換句話說，雷射發出的光波長範圍很窄，而燈泡發出的光的波長範圍特別廣。雷射的光強度特別穩定(光探測器的探測結果中噪聲很低)，可以連續發射或者作為光脈衝進行發射。

  雷射可以聚焦成非常小的光斑，這一能力使得它在顯微鏡技術中得到了各式各樣的應用。例如，通過掃描在顯微透鏡焦點處目標物體上的雷射光斑，並且檢測從物體散射或者重新輻射出的光，可以構造出物體的三維圖像。這個方法對於觀察動物組織非常有用，這類光學顯微鏡在生物醫學方面有著廣泛的應用。

  雷射在製造業中的許多應用也是利用了這一特性。例如標記、切割、鑽孔或者焊接金屬等操作，都要求短時間內在金屬的較小區域上聚集能量。高功率雷射器可以產生以脈衝形式呈現的相干光束，聚焦能力強，因此成為這些材料加工操作的理想選擇。

  由於這些特性，雷射在醫學方面也得到了很多應用，這次涉及了皮膚、牙齒和頭髮等材料，常見如雷射矯正視力和雷射牙科等。雷射也可以去除文身，利用雷射加熱皮膚里的文身墨水直到其被完全破壞。雷射也可以除毛——但很可惜的是雷射並不能反過來讓毛髮再生。其他一些人們所熟悉的設備，如CD、DVD、藍光光碟(Blu-ray Disc)和一些計算機磁碟存儲設備，也都是利用了雷射的聚焦性能卓越這一特性，使得材料能夠儲存密度非常高的數據。

  雷射的顏色可以非常純，因而可以利用光譜法來區分不同混合物中的原子和分子種類。正如第1章所提出的，不同的原子甚至不同的分子，由於它們的結構不同，因此具有不同的吸收和輻射光的特徵頻率。延伸一下我們本章中提出的類比，將這些原子和分子比作鞦韆，那麼這些鞦韆中連接座椅的繩子長度不一，因此，這些原子或者分子的固有振盪頻率由它們在混合物中的組合方式所決定。

  事實上，每個原子和分子都有不同的輻射和吸收的頻率範圍，對應著不同的電子構型的激發。這些頻率範圍通常位於可見光光譜的藍光區域，但有一些分子可吸收的光的波長要短得多，是人類不可見的。許多分子也可以吸收比可見光的紅光波長還長的光。這種區別來自構成分子的原子核之間的振動。由於原子核比電子重得多，所以它們傾向於以更低的頻率振盪。這組頻率相當於分子的一種「指紋」，可用來確認分子類型。

  當然，用這些「指紋」所確立的目錄在化學中是很重要的，因為通過它可以識別出化學反應中所涉及的不同元素。它也被用於分子生物學；甚至在細胞生物學中，可以通過它來觀察特定的標定分子，從而研究分子的運動。這種「指紋」對於天體物理學也相當重要，它可以確定恆星、星系、星雲中存在的元素。在大氣物理學和氣象學中，則可以遙測污染物和顆粒。這種監測為評估氣候變化的影響和成因方面提供了關鍵數據。

  通過組合幾個不同雷射器所發出的雷射，例如一個發出紅光，一個發出綠光，一個發出藍光，那麼就有可能製造出一台雷射投影儀。根據電腦或者網際網路輸出的視頻信號來改變各個雷射信號的強度 ——也許可以通過液晶單元的方式實現——那麼色彩鮮艷、高飽和度的電影就可以投射到屏幕上。紅、綠、藍這三色光的組合足以構成一個完整的調色板，而雷射可以在屏幕上產生非常明亮的圖像。

  X射線

  當光的波長非常短，屬於光譜的X射線區域時，就會產生一種特定的光譜。X射線的光子能量很高，不僅可以激發最外層的電子，甚至能激發原子中被束縛得最緊密的電子。這意味著X射線可以用來觀察原子和分子的核心，並了解它們所處的環境，由此，我們就可以改變電子結合能[3]。X射線的吸收光譜技術在材料研究中有著廣泛的應用，從檢測微量污染物到研究玻璃的結構。如第3章所述，X射線衍射法也被用來研究晶體的結構。當X射線的波長接近於晶體中原子的間距時，晶體就充當了「衍射光柵」，使X射線向離散的方向散射。通過監測相機上的衍射圖樣，利用先進的反演算法重建高度複雜的晶體的三維結構。從分離出的生物和化學分子中提取特徵，確定可能的新分子結構，對比進行設計，從而實現某一特定功能，這在現在已經是一個常規的流程。

  同步加速器可以為這種光譜技術提供最好的光源。為了產生符合要求的具有短波長的X射線，同步加速器必須產生高能電子束，並且在一個環形軌道上對它進行加速。隨著電子的加速運動，實驗站會捕捉到閃爍的光，這導致了短暫的X射線暴，可以用於衍射成像。例如英國哈維爾的「鑽石光源」1(Diamond Light Source)，電子束在一個超過半千米長的環內被加速至超過十億伏特。下一代X射線光源正在使用線性粒子加速器來製造，這種加速器可1　位於英國牛津郡，是英國第一台第三代同步輻射光源。以產生極其明亮的X射線光束。如圖20所示的X射線衍射圖就是用鑽石光源拍攝的。

  超短光脈衝

  雷射也能夠以短脈衝的形式發出，方法不止一種。能夠產生最短光脈衝的方法稱為鎖模法。鎖模法要求增益介質具有較大的帶寬，也就是說，它可以在比較寬的光譜範圍內對光進行放大。這使得光學腔內多個不同種類的雷射都可以獲得增益。如果讓這些不同種類的雷射具有相同的相位，那麼擁有不同頻率的光波將在光學腔內疊加形成單個脈衝，並且在兩面反射鏡之間來回反射。脈衝有多短取決於鎖定的頻率的數目——頻率分布的範圍越寬，脈衝越短。

  超短雷射脈衝的獲得使得時間分辨光譜技術成為可能。這種技術讓我們得以利用閃頻儀看到事物是如何隨著時間變化的。利用光來「定格」快速運動的這一想法，可以追溯到19世紀末埃德沃德·邁布里奇(Eadweard Muybridge)的工作。他萌生了利用快速照相機快門來拍攝駿馬奔跑的想法。由於馬的腿移動得太快，人眼無法進行分辨，以至於當時還無法分辨馬在跨步的過程中四條腿是否在某一時刻同時離地。為了解決這個問題，邁布里奇沿著跑道設置了許多相機，每一個相機快門都由一根橫跨於跑道的線所操控，當馬奔跑經過這些線時就會依次觸發快門。這使得他能從馬的反射光中提取出一個很短的光脈衝，這種光脈衝持續的時間比馬腿移動的時間還要短。他這項研究的目的與成果就是告訴他的研究資助者利蘭·斯坦福(Leland Stanford)，在馬奔跑的過程中，馬的四條腿在某一個瞬間可以同時離開地面。

  傳統相機的機械快門可以很快速地關閉，但是速度仍然不夠快，因此仍然無法觀察到某些形式的動物運動，例如蜂鳥翅膀的扇動。至於一些更快速的物理過程，例如爆炸發生在千分之一秒的時間尺度上，這麼短時間內發生的變化是無法用傳統相機捕捉到的。為了解決這個問題，麻省理工學院的哈羅德·埃哲頓(Harold Edgerton)在20世紀50年代發明了一種基於光學開關的新型非機械式快門。他可以用這種裝置拍攝爆炸事件的靜態照片。

  這些開關我們可以稱之為「被動」儀器，它們在打開狀態時有一片允許光通過的空間，所以這種設備適用於照明良好的物體(例如沐浴在加利福尼亞陽光下的馬)或者是本身就發出大量光的物體(例如爆炸)。我們可以想像一種「主動」的儀器，它可以產生短的光脈衝來照亮一個移動的物體，例如照相機的閃光燈所發出的光脈衝。與物體移動所需要的時間相比，一道持續時間更短的光照射在物體上時，就可以觀察到某個瞬間物體定格住的圖像，即使快門的速度比物體的運動速度要慢。第二個閃光會定格稍後的運動圖像，依次往後推，這樣就可以獲得物體運動的動圖了。

  將在同一事件的重複實驗中拍攝的序列幀組成一部電影可以說明運動對象的快速變化，即使其變化的速度已經遠遠超過人眼的識別程度。確實，這些稍縱即逝的事件竟然能夠通過這種方式被觀察到，真的很令人驚嘆。埃哲頓於1931年發明了「頻閃儀」。他的一些最具代表性的圖像，例如子彈穿過蘋果或者撲克牌(見圖27)，都是用它拍攝的。

  圖27　頻閃儀記錄下一張圖片，顯示了運動中的子彈被定格的瞬間

  使用現代脈衝雷射作為「閃光」，不僅可以觀察到運動的子彈定格的瞬間，還可以觀察到參與化學反應的分子中原子的運動[因為這一發現，1999年的諾貝爾化學獎頒發給了艾哈邁德·澤維爾(Ahmed Zewail)]，甚至能看到在原子核周圍以更快速度運動的電子。這些運動的時間尺度小得驚人。對於分子來說，它的時間尺度小於1秒的一萬億分之一(100×10-15秒，即100飛秒)。而對於原子內的電子來說，其時間尺度為100×10-18秒(100阿秒)。飛秒化學[4]和阿秒科學[5]都是研究光和物質相互作用的前沿領域，我在第7章將會作進一步討論。

  [1]　當波浪或者船隻擾動了生活在海水中的某些微小浮游生物時，它們會發光。因此，這種磷光其實是一種生物發光。

  [2]　例如波的方向、相位不一致等。

  [3]　電子由被束縛狀態轉移到無窮遠時所做的功，可以用來衡量電子被原子核吸引的緊密程度。

  [4]　研究飛秒時間尺度內的化學反應過程和機理的一個領域。

  [5]　阿秒時間尺度上的科學研究。