論光學的發(fā)展和對光的本性的認識

摘? 要：無論是自然光還是人造光，光的物理性質(zhì)都在它與人類的互動中起著重要的作用。雖然在光的波動性和粒子性之間還存在一種尚未解釋的二元性，但我們確實了解了許多影響生物的光的特性。在這里，我回顧了光的歷史和它的特性，特別是那些影響人類健康的特性。

關(guān)鍵詞：光;太陽光;光的性質(zhì)

一、光和陽光的歷史

宇宙開始時，光也開始了。150億年前的宇宙大爆炸是在幾十億度的溫度下發(fā)出的強烈的光爆炸。根據(jù)方程E = mc2，其中一些光能被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，所以光也對物質(zhì)起了作用。光在宇宙爆炸的0秒誕生了，并開始形成基本粒子。三分鐘后基本粒子形成第一個原子核——氘。三十萬年后宇宙背景輻射開始了：光充滿了宇宙。第一百億年我們的太陽誕生了。一百一十億年地球上出現(xiàn)了生命，很有可能是受到陽光的促進。一百五十億年（也就是如今）陽光維持并影響著地球上的生命。這便是光進化的步驟及其對生命的影響，包括宇宙中太陽的形成過程。今天，我們?nèi)匀簧钤谝粋€由陽光主導的世界。

二、深入了解光的特性

人類很早就認識到了光的重要性，但對它的性質(zhì)的認識是一個非常緩慢的過程。困擾人類最關(guān)鍵問題是光是波狀還是粒子狀。在艾薩克·牛頓將白光穿過玻璃棱鏡并將光分解成不同顏色后，粒子圖像占據(jù)了主導地位，他在1704年解釋說，這意味著光是粒子。但在1801年，英國科學家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)，兩束光相互干擾會產(chǎn)生一系列亮區(qū)和暗區(qū)，這意味著光是波狀的。1873年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出光是一種電磁波，由電場和磁場耦合而成，以3x108? m/s的速度傳播。

1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出了量子理論，進一步加深了對量子的理解。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦擴展了普朗克的思想，證明光是量子化的，每個離散單元（后來稱為光子）攜帶的能量為E=hf（h是普朗克常數(shù)，f是光的頻率）。1948年，理查德·費曼開發(fā)了量子電動力學來解釋光子如何攜帶電磁力。但量子電動力學并不能解釋這樣一個事實，即盡管光確實是類似粒子的，但它也是類似波的——諾貝爾獎獲得者費曼稱之為“唯一的謎團”，即量子力學核心的謎團。

三、光的基本性質(zhì)

盡管在光是粒子狀還是波狀上存在悖論，但這兩種方法都有助于將光及其效應(yīng)系統(tǒng)化。波的圖像集中在波長和頻率上的，它們符合方程c = fλ。其中c是光速（真空中為3x108 m/s），λ是波長。波長是定義電磁輻射不同區(qū)域的便捷方法，從無線電波的極大值到X射線和伽馬射線的微觀值都可以用波長來區(qū)分。具有代表性的波段有：X-ray波長為1nm、紫外光波長為100-400 nm、綠光波長為550 nm、可見紅外光波長為750 nm、紅外線波長為1000 nm、調(diào)頻收音機的波長為3 m。

光子的能量可以用eV和千卡/摩爾為單位，可以用來理解光如何影響生命系統(tǒng)。當光與一個系統(tǒng)相互作用時，每個光子將能量傳遞給一個或多個組成分子。如果能量大到足以破壞分子鍵，則會導致生物分子結(jié)構(gòu)和活性發(fā)生嚴重和潛在的不利變化。生物分子中的鍵強度一般在3-10 eV或70-230千卡/摩爾之間，對應(yīng)的光子波長為400-1000 nm。因此，無線電、紅外和紅色光子不太可能造成破壞。但紫外線（UV）光子攜帶的能量足以對其造成破壞。x射線光子尤其有害，因為它攜帶的能量足以破壞大量的分子鍵。

四、陽光及其對人類的影響

由于光線既能產(chǎn)生有益的結(jié)果，也能產(chǎn)生不良的結(jié)果，因此有必要考慮陽光對人體健康的作用。我們的太陽只是一顆中等大小的恒星，但它產(chǎn)生能量的速度我們很難理解。作為一個表面溫度接近6000開爾文的極熱物體，太陽表面每平方米輻射62兆瓦。當光線到達地球時，這種能量雖然會減弱，但能量仍然很大：大氣層外表面的能量為1.4千瓦/平方米。此外，作為一種所謂的“黑體”輻射體，太陽的光線覆蓋了從無線電波到可見光到紫外線和x射線的整個電磁光譜范圍。

這個光譜的短波部分對人類有潛在的危險。但是，到達地球表面的短波光線要比太陽產(chǎn)生的光線少得多，因為我們大氣中的臭氧，會選擇性地吸收紫外線和更短的波長。然而，一些紫外線確實會照射到地球上，而且有大量的證據(jù)表明人類患皮膚癌的幾率與紫外線照射有關(guān)。

太陽紫外線的水平取決于許多短期和長期的因素：如臭氧層的狀態(tài)、局部大氣狀況、煙霧、全球大氣條件、火山活動、在地球表面的位置、一年中的時間、季節(jié)、太陽活動等。這些相互作用的復雜性可以通過研究美國和歐洲的陽光分布地圖來看出，它們遠比簡單地依賴于緯度復雜得多。在研究太陽紫外線和人類疾病之間的關(guān)系時，需要仔細考慮這種復雜性。

五、人造光及其對人類的影響

人造光如果包含過多的紫外線輻射，也會對生物產(chǎn)生直接的傷害。還有一種更微妙的可能性，在工業(yè)化國家人們在夜間暴露在足夠的人造光下，以抑制或扭曲正常的晝夜節(jié)律。其會抑制褪黑激素的產(chǎn)生，褪黑素通常由松果體在黑暗的幾個小時內(nèi)產(chǎn)生。由于褪黑激素在保護DNA免受損害方面發(fā)揮作用，并具有其他生理功能，因此，人造光的流行可能會導致諸如乳腺癌等疾病的嚴重后果和其他不良后果。

六、總結(jié)

光的波粒二象性繼續(xù)困擾著我們，但對人類健康產(chǎn)生不利影響的光的物理特性可以清楚地闡明。光子理論說明了為什么短波長的光比其他類型的光對人類的傷害更大;當然，一般性結(jié)論忽略了其他因素，如組織和器官對光的選擇性吸收，以及內(nèi)部修復機制的作用。即使在穿透地球大氣層后，陽光攜帶的紫外線能量也足以造成生物損傷。陽光中紫外線的數(shù)量和光譜分布取決于多種因素，要進一步研究暴露在陽光下的時間和內(nèi)分泌功能之間可能存在的聯(lián)系。

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作者簡介：李忠友（2001.1-），男，漢族，安徽阜陽人，本科在讀。