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光的本质:麦克斯韦揭示的光与电磁磁场的关系

时间:2023-10-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:麦克斯韦投入一段时间进行电磁铁系列实验,并试图描绘其行为。由此,麦克斯韦得出结论,认为光和磁是同种物质的产物。具体来讲就是,麦克斯韦认为光是同类介质中的一种横向波,也是电磁感应现象的成因。每秒钟脉冲在15次以下的声波被称为次声波,而压力脉冲每秒钟在1.8万次以上的声波就是超声波。虽然光并非由高低压气峰转换产生,但麦克斯韦发现光随着电磁场中磁场强度的增强和减弱在空间中传播。

光的本质:麦克斯韦揭示的光与电磁磁场的关系

麦克斯韦后来与年长其40岁的教授迈克尔·法拉第结识,后者发现了电磁感应

“您又开始说难以理解的术语了。”

这个词乍一听似乎很复杂,实际上它是一个很简单的概念。当导电性材料(如铜或铁)受到强度或大或小的磁场影响时,其中会产生电流。反之亦然,电流也能够在周围产生磁场。

事实上,这也是高压电缆一定要被仔细分地放置的原因。通过电缆内部的电流会在其周围产生磁场,而该磁场范围内的其他电缆的内部则会因此而产生额外的电流,影响设备正常运转。

您对具有代表性的磁场示意图一定很熟悉,在一个具有磁性物体上,一系列的线从一端指向另一端。若是将铁屑撒在一块磁铁的周围,就能观察到这些碎屑围绕磁极分布出的线条。

如果我们在一个导电材料周围移动这个磁场,那么该导体中的电子会移动,从而产生电流(实际上,这就是一种电子流)。

麦克斯韦投入一段时间进行电磁铁系列实验,并试图描绘其行为。后来在1861年,他发表了一篇名为《论物理力线》的论文,其中论述了电磁效应的公式,并且解释了因磁铁周围磁场而在电缆中产生的电子流是如何进行波浪式传播的。由此,麦克斯韦得出结论,认为光和磁是同种物质的产物。而根据电磁感应定律,光是磁场内电磁震动的产物。具体来讲就是,麦克斯韦认为光是同类介质中的一种横向波,也是电磁感应现象的成因。

换言之,光并非如声音那样是由于高低压不同而产生的,它是一种处于电磁场中的波。

“好极了,那么这又说明什么呢?”

嗯,光学这一话题十分庞杂,我们接着往下讲。

将一块石头扔进湖中,会立刻扰乱平静的湖面,因为石块占据了之前一部分水的位置。而液体是倾向于保持一个平面的,因此就会有水向上飞溅,而没有受到足够冲击力向上运动的液体则会向四周散开,以抵消石块带来的能量。

水纹以一种圆形波的形式扩散开后,其横向和纵向的幅度都会迅速衰减,直至石块下落到足够远的地方,先前受到冲击的水浪与湖中静止的水又融为一体。因此,湖中的水浪与波纹只是波在两个方向上传导而自然呈现出的现象。

而当一列波以三维形式扩散时,则会产生球状体,而非一个平面的圆形。声音正是由此形成的,来自周围环境中高低压气峰的交替。这样的气压变化到达耳部,高压的“推力”与低压的“拉力”使得耳膜开始震动。与此同时,大脑也开始对不同种类的振动形式进行解释:振动频率低、气峰宽的是低音,震动频率高且短促的是高音。(www.xing528.com)

然而,当鼓膜振动的频率过高或过低时,大脑也是无法对其进行识别的,也就接收不到任何声音信号。因此,(在音频过高时)即使鼓膜都振动出了火花,我们也是什么声音都听不到。声音的压力波每秒钟的脉冲在15~1.8万次就是人类听觉的范围。

每秒钟脉冲在15次以下的声波被称为次声波,而压力脉冲每秒钟在1.8万次以上的声波就是超声波。这些人类听不到的声音并非不存在,如狗的听觉范围就比我们要广。这就是为什么我们可以安然地处在一个空间中,只听到了鸟鸣和蝉鸣,而身边的小狗像发疯了一般跑来跑去,寻找钻入耳中的声源到底在哪里。

“我不知道您意识到没有,一开始您还在讲光学的话题,现在已经扯到耳朵和狗了。怎么回事?”

正是由于光与声音的传播形式具有相似性,声音是一种在空间中以球体形式扩散的三维振动波。虽然光并非由高低压气峰转换产生,但麦克斯韦发现光随着电磁场中磁场强度的增强和减弱在空间中传播。由此,他认为光是一种电磁波。

如同大脑会将不同频率的声音识别为高音或低音,眼睛也会将不同波长的光识别为不同的颜色,波长越短越倾向于蓝色调,而波长越长则越倾向于红色调。

不过,人类对光波波长是有接收范围的,就如同听觉范围一样。波长在390~700纳米(即十亿分之一毫米)的光波才能被眼睛识别。

现在我们终于了解了光的本质,可以讲一讲这对于天文学发展的帮助了。

“哈利路亚(赞美上帝)!”

不过……在此之前,我们先来聊一下救护车。

“什么?”

别担心,我们长话短说。

如今我们已经认识到光本质的复杂性:在不同情况下,它会分别表现为波或粒子。而这两种形式并不冲突,这就表明光同时具有波和粒子两种特性。

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