宇宙的奇迹4 《信使》(CCTV9纪录片)

现代宇宙学不是晦涩无用的哲学思辩，而是建立在天文观测、数学模型、物理实验基础上的现代科学，完全有能力认知宇宙的奥秘。

宇宙最初产生于137亿年前一次大爆炸中。大爆炸后30亿年，最初的物质涟漪出现。大爆炸后20亿～30亿年，类星体逐渐形成。大爆炸后90亿年，太阳诞生。38亿年前，地球上的生命开始逐渐演化。

该纪录片系列共四集：

1 《命运》（ Destiny）

2 《星尘》（Stardust）

3 《引力》（Gravity）

4 《信使》（ Messengers）

本文（视频）是第4集：《信使》（ Messengers）

主要讲述：

光是我们了解宇宙奇观的窗口，宇宙起源的故事就蕴藏于遥远的恒星所能发出的光芒之中，借助光，我们可以追溯宇宙的全部历史，并最终见证光是如何赋予我们生命的。

光波不仅能让我们领略太空，还可以让我们踏上穿越时间隧道的旅程。

光不是瞬间传播的，有 一定的速度，所以我们看到的光都是恒星过去发射出来的。我们现在所看到的距离越是遥远的星系所发出的光，其发光的时间距离现在也越是久远。所以距离不仅是空间的距离，也是时间的距离。

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光是能量的一种传播方式，是一种电磁辐射（由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。）。

电磁波是电磁场的一种运动形态。振荡的磁场产生振荡的电场,振荡的电场产生振荡的磁场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。

波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。很显然，波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离，即波速。

光是一种电磁波，光线是一串粒子（光量子，分散的能量包）。光速是电子运动的极限。变化的电场和变化的磁场无穷交替产生，结果会辐射电磁波。所有的光都仅仅由频率和强度决定，与是由静止光源还是运动光源发出无关。

光是一种微观粒子，其本质只能用波粒二象性来解释，光在传播过程中主要表现为波动性，在与物质相互作用时主要表现为粒子性；大量光子表现出来的是波动性，少量光子表现出来的是粒子性；光的波长越长，波动性越明显，波长越短，粒子性越明显。

波面上的每个点，都可作为引起介质振动的波源。就好比多米诺骨牌，每张牌既是受力者，也是发力者。

惠更斯从弹性碰撞理论出发，认为，每个发光体的微粒把脉冲传给介质微粒，然后依次下传，我们想象一下一群相互紧贴的台球，振动其中一个会怎样，类比一下就理解了。这样，微粒本身不前进（声音也是，空气分子传递振动，但不前进，你听到我说话，并不是在我嗓子里振动的那些个空气分子进到你耳朵里去了），但能同时传播向四面八方行进的脉冲，于是光束彼此交叉而不相互影响。

惠更斯根据这一原理，经过复杂的数学推导，证明了光的反射、折射等定律。

移动的电场产生磁场、移动的磁场产生电场这种循环往复的过程产生的能量传播——互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射。

光源之所以发出光，是因为光源中原子、分子的运动。

光源或光的运动方式主要有三种：

1 热效应产生的光（热运动）：阳光就是很好的例子，此外蜡烛等物品也都一样，此类光随着温度的变化会改变颜色。

2 原子跃迁发光（跃迁辐射，包括自发辐射和受激辐射），多用于激光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光，霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线，科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率（或波长）一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。激光就好像是一支纪律严明的光子部队，行动一致，因而有着极强的战斗力。这就是为什么许多事情激光能做，而阳光、灯光、烛光不能做的主要原因。

3 物质内部带电粒子加速运动时所产生的光辐射。譬如，同步加速器（synchrotron）工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。

简单地说，光是沿射线传播的，光的传播也不需要任何介质。但是，光在介质中传播时，由于光受到介质的相互作用，其传播路径遇到光滑的物体会发生偏折，产生反射与折射的现象。另外，根据广义相对论，光在大质量物体附近传播时，由于受到该物体强引力场的影响，光的传播路径也会发生相应的偏折。

光可以在真空、空气、水等透明的介质中传播。真空中的光速是目前宇宙中已知最快的速度，光在真空中1s能传播299792458m。在其他各种介质的速度都比在真空中的小。空气中的光速大约为2.99792000×108m/s。光在水中的速度比真空中小很多，约为真空中光速的3/4；光在玻璃中的速度比在真空中小的更多，约为真空中光速的2/3。如果一个飞人以光速绕地球运行，在1s的时间内，能够绕地球运行7.5圈；太阳发出的光，要经过8min到达地球，如果一辆1000km/h的赛车不停地跑，要经过17年的时间才能跑完从太阳到地球的距离。