光的实质是什么?

在上一周的视频中，我提到的几乎所有的信息都有关于宇宙来自光的一种形式。但是光是怎么来的呢？它对我们对天体的探测有什么帮助呢？

老实说，光是什么？提示一下光是一种波。这花了数个世纪的思考和实验才得以证明，这还告诉了人们光的最基本的组成是能量光就像海洋中的水波通过波传播。除了光之外，依靠波传播的还有电和磁。字面意义的光是交缠在一起的小束。这就是为什么我们说光是电磁辐射。

这个问题展开来讲的话将会非常复杂，但是我们可以从光波的角度做一些很好的整体观察。当你在海面上漂浮的时候，你会随着水波起起伏伏。两个波峰之间的距离叫做波长。既然光是一种波，那它也有波长，而且这还是它最重要的特性。光的能量和它的波长的联系密不可分。波长越短的光具有的能量越高，而波长越长的光具有的能量就低。

我们的眼睛能通过一个非常简便的方法来察觉这些能量，那就是颜色！你认为的“紫色”实际上是一种照射在你眼睛上的一种短波长的光。红光的波长更长，大约是紫光波长的两倍。所有在橙黄绿蓝之间的颜色的波长介于中间。颜色和波长的排序叫做光谱。

几百万年来，我们的眼睛已经进化到能看到太阳发出的光最强烈的波段了。这很好解释，这让我们更容易看到东西。我们称这种光为可见光。但是可见光只是所有不同波长的光里极小的一部分。即使光比可见光的波长就短那么一点点，对我们来说它都是不可见的，但它仍然是存在的。这种光我们称之为紫外线。比紫外线的波长更短的是X射线，波长最短的光叫做伽马射线。

在光谱的另一端，波长比我们能见到的最红的颜色还要长的光叫做红外线。波长比红外线还长的叫做微波，而光中波长最长的是无线电波。这些不同的分组并没有一个明确的定义，只是将它们当作一个大致的参考。总的来说，我们将这些不同的光统称为电磁波谱或是发射光谱。记住，能量越高，波长越短。所以，紫外线的能量比紫光高，X射线比紫外线的能量高，而伽马射线拥有最高的能量。红外线的能量比红光低，微波的能量比红外线低，无线电波的能量最低。

看你观察整个发射光谱时，你会发现，可见光只是其中极其细小的一条小切片。宇宙中的绝大部分对我们来说都是不可见的！这就是为什么我们要制造各种各样的望远镜来观测人眼观测不到的光。这些望远镜让我们看到很多本来我们看不到的东西。

到这里你可能有个疑问：光是由什么构成的？光的基本性质之一就是当你加热它的时候，它就获得能量，然后它就会努力摆脱这些能量。

既然光是一种能量，那么有一种方法能摆脱能量，那就是发射光。光的另一个重要性质就是物体发出的光取决于它的温度。一个更热的物体会发出能量更高的光，也就是波长更短的光。相较冷的物体会发射更长波长的光。

你可能在生活中见到过，加热一根铁棒时，铁棒会变红，然后变成橙色，最热的时候变成黄色。铁棒发出的光的颜色、波长都会随之着温度的升高而变化。天文学家们也用这一现象来做一个速记。我们说更短波长的光会“更蓝”，而波长更长的光“更红”。不要只看字面意思！

我们不是真的说光会更蓝或者更红，我们的意思是波长减短或者增长。所以从这个术语来说，紫外线比蓝色更蓝，而X射线比紫外线更蓝。所以一个温度更高的物体会比一个温度低的物体更蓝 。这个规则同样适用于密度高的物体，比如铁棒，还有星体，甚至人类！其实你也在发射光，只不过是我们看不见的红外光。

而宇宙中的一些密度低的物体，比如气体云，它们发光的方式就不同于刚刚提到的了。要理解它们发光的方式，我们就要把它们放得很大很大来看它们中的一个单独的原子。为了更好的理解，我们先简短地说一下原子的结构。原子由不同的物质区域组成，一般来说，原子由三种微粒组成：质子，中子和电子。质子带正电，电子带负电，中子不带电。质子和中子相较电子来说非常巨大，它占据了原子的中心，也就是我们所说的原子核。电子受原子核正电的吸引而围绕着原子核做高速运动。原子核里有多少个质子决定了原子的类型。氢原子有一个质子，氦原子有两个，锂原子有三个，以此类推构成了元素周期表。

人们普遍认为电子围绕原子核的运动和行星绕着太阳的运动相似，但实际上不是这样。真实的运动轨迹非常的复杂，涉及到复杂的量子机理，但最终，电子不仅仅是占据着原子核周围的一个特定的范围，它取决于电子的能量。

就像阶梯上放着原子核的楼梯，当你沿着阶梯向上走时，你必须要消耗能量。而当你这么做的时候，你必须一次性走完一步，如果你没有能量走向下一个阶梯，你将停留在那里。你可以在第一个阶梯，也可以在第二个阶梯，但是你不可能在第一个半阶梯。电子也是这样。高速运转的电子有着不连续的能量。如果你给它们增加一个精确的能量，它们就会跃迁到下一个能量阶级，然后停下，但是如果你给它们的是错误的能量，它们就会呆在那里不动。相反的情况也是如此，电子能跃迁到一个更高的能级，也能通过释放能量跃迁到更低的能级。它们需要释放的能量恰好是它们跃迁到第一能级的能量。

而电子如何获得能量呢？通过光！当光和相同能量的原子碰撞时，电子会吸收光的能量向高能级跃迁，而同样，电子也能通过发射光向低能级跃迁。一个电子可以进行任意级数的跃迁，但只有精确的能量能让跃迁进行。但是正如我之前说的，能量和波长实质上是相同的，它们和颜色都有着相同的关系。所以当电子向高能级或低能级跃迁时它吸收或发射了特定颜色的光。

不仅如此，不同原子间的能级也是不同的。接着我们刚才的类比，不同的原子就像阶梯高度不同的楼梯。所以当电子在氢原子内进行跃迁时，它发射出的光的能量和颜色将不同于电子在氦原子或钙原子中的跃迁。

而这！就是宇宙的关键。因为不同原子发出不同颜色的光，所以即使我们不能接触到某一物体，但我们依然能通过观测物体发出的光来确定它的组分。即使是十万八千光年外的物体，我们也能知道它的组分。你能分辨出这两个由差别非常细微的红色阴影填涂的正方形的不同吗？你的眼睛可能不能分辨，但是光谱仪能。

光谱仪是一种能精确测量光的波长的仪器，例如区分氢原子发出的光和氦原子发出的光。当你将一个光谱仪和望远镜结合在一起时，你就能找到天体的组成成分。比如说宇宙中的气体云，它里面的原子自由地漂浮着，极少与其他粒子发生碰撞。我们通过这些原子发出的不同的颜色来区分它们。不同于大密度的星体，决定稀薄气体颜色的往往是它的组成成分而不是它的温度。而这也是我们发现宇宙是由什么组成的途径。宇宙中的星体和气体云是由氢和一些氦原子以及重元素组成的。木星的大气里有甲烷，金星的大气里是二氧化碳。所有宇宙中的物体都有属于它的组成成分，就像烘焙坊里的蛋糕一样。有了光谱学，我们就可以“品尝”它们了。

等等！还有！你听说过多普勒效应吗？就是音调的改变，比如说，一辆摩托车驶过。在声音的理论中，波长决定了音调的高低。高音(“eeeee”)的波长更短，而低音(“eeeee”)的波长更长。当摩托车向你驶来的时候，声波被压缩变短，导致音调听起来变高了。当它驶过之后，声波变长，这又导致音调变低了。

光也是这样。当一个物体向你移动时，光源发出来的光波波长被压缩，变得更短。这就是我们所说的蓝移。当它离开时，光波又会变长，这就是红移。将这一现象和光谱的应用相结合，通过观测光的蓝移或红移，我们就可以区分这个物体是靠近我们还是远离我们。

预告一下，之后我们讲到的星系的时候，这个现象十分重要。剧透警告：宇宙在扩张中，也正是因为红移我们才发现了这一事实。而且这还没结束，有了光谱分析技术，一个物体，无论它有着多么强的磁场，也不论它的密度和质量有多大，我们都能确定这个物体是否在运动，而且还能知道它运动的速度。大多天体的基本属性通过对它发出的独特的光的剖析都能基本确定。我们对宇宙的所有认识基本都依靠物体发出的光。天体的照片展示了它们的结构，它们的美丽，还有它们演化进程的线索。有了光谱，我们就能检测它们的原理。

今天你学习到了光是能量的一种形式。根据它的波长我们能知道它的能量和颜色。光谱学使我们通过分析颜色来确定一个物体的温度，密度，自旋，运动和化学成分。