光线传播是我们日常生活中碰到过的最常见的现象之一了,我们在初中物理学习时就知道光线在真空中的传播速度最快且保持恒定,当遇到物体时,会因物体表面粗糙程度不同其反射的程度和方向都会发生变化,而在由一种介质进入另外一种密度不同的介质时会发生折射,等等。大家经常会看到光线透过玻璃这种现象,肯定都习以为常了,但是,如果深入地思考一下,光线为何会透过玻璃,而且穿透不了大多数的其它物体?光穿透过玻璃以后是不是光子的实体穿透过去了呢?光线的组成首先来看一下光线到底是由什么组成的。大家都知道光线具有“波粒二象性”的特征,其实这是一种妥协的结果,因为啥,那就是到目前为止,科学界对于光线到底由什么物质组成还没有统一的结论。在牛顿开启近代物理学的奠基时期,对于光线的组成,始终由两种声音所覆盖。其中一个是粒子说,另一个是波动说,比如牛顿认为光就是由一种非常微小的粒子所组成,惠更斯则认为光是一种波,还提出了光学惠更斯原理。待到麦克斯韦建立起电磁波理论之后,科学家们发现光与电磁波各项特征都完美地吻合,因此认为光是一种电磁波,而电磁波的传播速度就是光速。进入20世纪之后,随着相对论和量子力学的建立和发展,爱因斯坦针对光的特性,提出了光量子的概念,认为任何辐射场中都是由光量子所构成,而且光同时具有颗粒性和波动性双重属性。之后法国物理学家德布罗意进一步阐述了波粒二象性,认为在光的理论研究中,必须同时考虑微观粒子和周期性的概念,也就是必须同时考虑光自身的颗粒性和波动性,奠定了物质波理论的基础。后来,薛定谔提出了薛定谔方程用以寻找物质波的波函数,玻恩提出了物质波波函数概率统计论,这些都为量子力学的发展奠定了坚实的基础。根据光的电磁波性质,不同波长、频率的电磁波则代表着不同的光,根据频率从高到低可以将光线分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波。其中,我们人类肉眼可见的光线是可见光波段,波长范围是纳米-纳米之间。从光的粒子性看光线的传播从光的粒子性角度,我们可以这么看光线穿透物体的情形。现在科学家们提出的光子概念,是基于光的粒子性出发所假设出来的,认为其是传递电磁相互作用的一种基本粒子,属于规范玻色子范畴,其颗粒大小要比原子中最小的单元电子还要小出许多,因此光线具有穿透物体的“先天基础”。但是,由于不同材质的物体,其内部原子中电子的自由度差异很大,像金属、土壤、身体等组成物质的原子,其电子的自由度特别是金属物质相对较大,这样就使原子周围“电子云”比较“浓密”,光子所携带的能量在穿过这些原子时,与电子发生碰撞的几率就会很大,从而能量的吸引率就较高,物体对外表面得就不透明。玻璃这样的物质情况正好相反,其内部原子中的电子活动性很低,光子在穿透时损耗的能量相对较少,因此能够比较顺利地穿过去,我们在外面观察就会看到玻璃是透明的。从光的波动性看光线的传播如果从光的波动性来看,光作为一种电磁波,在密度不同的介质中传播速度是不一样的,传播速度取决于这个介质的两个常数,即介电常数和介磁常数。如果光线接触到一个物体,想要进入这个物体所创造的介质环境,那么根据经典电磁学理论,处在物体这个介质环境之外的介质(比如空气和水),外面的电磁波所产生的电场和磁场,必须要在物体介质环境下感应出相应的电场和磁场才能传播。那么,对于金属这样的电的良导体来说,在内部是根本无法形成电场的,所以金属的内部很难再产生电磁波,也就是失去了电磁波的存在条件,所以光线在遇到金属之后,极难进入其中,绝大部分都会被反射出去,这也是为什么金属都具有很强反射能力的根本原因。而对于其它一些表面非常粗糙、非匀质材料构成、对某一单色光反射能力强的物体等,都会产生相应的强反射作用,我们在外面看来这些物体也是不透明的或者透明度很差。如果从能量的角度来看,电磁波是电场和磁场相互交叉式的传播,那么这个波动的波峰和波谷则可以看作电场的两个峰值。当处在一个介质中的光线,其光子被介质中的原子吸收时,电子就会被激发到较高的能级之上,同时有一定的几率会再释放出光子,假如电磁波波函数模的平方(光子出现的概率)在传输的过程中,一直呈现有极大值的趋势,那么光线的能量损耗就小,就能够穿透这个物体。相反,如果在光子被吸收之后重新释放的概率很小,那么波函数就无法再可持续性地延续下去,也就是说波函数模的平方基本变为了0,光线就无法再穿透这个物体。总结一下根据前后的分析,我们可以看出,一方面玻璃是一种非常理想的绝缘体,电磁波在这个介质中传播可以完美地再现电场产生的环境;另一方面玻璃中的原子对光线能量的吸收率很低,即使被原子吸收重新释放出光子的概率也很大,总能够形成波函数模的平方峰值。因此玻璃就显得非常透明。与玻璃相类似,纯水结成的冰、水晶、冰糖等这样的物体,也是同样的道理,光线能够以较低的能量损耗穿透过去,而根据光的波粒二象性,我们既可以理解为是光子穿透了过去,也可以认为是波穿透了过去。
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