光,這種神秘而獨特的存在,與我們所熟知的其他物質大相徑庭。在大多數情況下,我們都忽視了一個事實:光,實際上也是一種物質。
那麼,光是物質嗎?答案是肯定的。光是由光子組成的,而光子是一種基本粒子,是真正的物質。然而,儘管光是物質,但它與一般的物質不同。在物理學領域內,光既被視為粒子,也被視為電磁波,這就是所謂的光的波粒二象性。作為電磁波的光具有週期性的定向振動,因此可以通過光傳遞能量和動量。總的來說,光是一種能參與各種能量形式轉換的特殊物質。
然而,無論光有多麼特殊,它終究是一種物質。與其他物質一樣,光無法穿透完全密閉的牆壁。
有趣的是,儘管其他物質無法穿過玻璃,光卻能輕易地穿透它。這究竟是為什麼呢?如果光能完成其他物質不能完成的任務,那麼光與其他物質之間必定存在某種關鍵的區別,這種區別涉及到物質的本質。一般來說,其他物質由分子或原子構成,如果進一步分解,可以分為原子核和核外電子。
無論是分子、原子還是電子,它們都具有兩個核心要素:品質和電荷。通過品質和電荷可以計算出粒子的荷質比。
不同的物質具有不同的特性和行為,決定一種物質的特性和行為的關鍵在於其品質和電荷。然而,光與眾不同,因為它沒有靜止品質。正是因為沒有靜止品質,光子從誕生的那一刻起就可以也只能以光速運動。那麼,如果沒有質量和電荷,是什麼決定了光子的特性和行為呢?答案是另外兩個因素:頻率和動量。
當我們討論光子能否穿透牆壁或玻璃時,實際上是在討論光子與這些物質之間的相互作用,更具體地說,就是光子與構成這些物質的分子或原子之間的相互作用。
當光子與其他原子相遇時,其自身的頻率和動量會影響原子中電子的振動和移動,而電子的振動和移動反過來又會作用於光子,使光子的傳播方向和速度發生改變。這樣,光子就會被散射和吸收,於是光就消失了,這就是光無法穿透牆壁的內在原因。
然而,玻璃與牆壁是不同的。
玻璃是由大量的矽原子和氧原子構成的,但光能穿透玻璃並不取決於構成它的原子種類,而是這些原子的排列方式。玻璃中的原子以一種極其規律的方式排列。因此,當光子與玻璃中的原子相互作用時,傳播方向和速度被改變的光子將沿著玻璃內部的固有結構傳播,不會像在牆壁中那樣被散射和吸收。也就是說,與玻璃中的原子發生相互作用后的光子的傳播方式是可以預測的。
正因為此,最終光子會穿透玻璃,只是傳播方向會有所改變,這種現象在巨集觀上被稱為“折射”。
由於不同顏色的光具有不同的頻率,因此與原子相互作用后,傳播方向的改變也不同,反映在巨集觀上的就是折射率的不同。所以,太陽光經過折射後會被分解為七色彩虹。瞭解了光能夠穿透玻璃的內在原理,我們對光的本質有了更深刻的瞭解,這有助於我們更好地理解光的各種特性以及與這個世界的相互作用。