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东方文捷 2020-11-23

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运动学

运动的概述

运动学是力学的分支。它专门描述物体的运动，就是物体在空间中位置随时间的变化，而不涉及力和质量等那些造成运动的因素。明显不同的是，动力学研究力和因为力作用在物体上而产生的运动。

任何一个物体，像是车子、火箭、星球等等，不论它的尺寸大小，如果能够忽略它的旋转运动，如果它内部每一部分都是朝相同的方向、以相同的速度移动，那么，可以简易地将此物体视为粒子，将此物体的质心的地点当作粒子的位置。如果不能忽略旋转运动，则必须将物体理想化成为刚体（在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫做刚体），来解析其运动。

运动在经典力学、能量学中的不同定义：

（1）旧经典力学的表象定义为：运动是运动物体空间位置的变化。

（2）能量学的表象定义为：运动是主体物质与前进方向上的相邻物质间相互交换位置的行为和现象。这种与前进方向的相邻物质之间的位置交换会受到前面方向上的物质的阻力作用。

当前面物质相互间的结合力（或者被交换的对象与运动的主体之间的质量或者质量密度相比）很小时以至于可以忽略不计时，那么这种物质间交换位置所带来的阻力就可以忽略不计，否则，这种与前进方向物质间的交换位置所带来的阻力则是不可忽略的。当物体完全处于绝对真空状态时，那么物体在绝对真空状态下的运动就成为无阻力运动，因为这时在它的前进方向上已不存在阻碍它的任何物质，这就是经典力学中所言的运动的定义的实质，是在绝对真空条件下的纯粹的位置变化现象。

而当没有物质之间的交换位置的阻力的作用时，运动主体也就不会受到前进方向的物质的阻挡，此时的运动主体才是真正的无阻力运动。所以，经典力学对运动的定义只适合于绝对真空状态下的运动情况，不适合于在非真空状态下的情况。所以，在客观实际中，世界中的运动又必然存在和分为有阻力运动与无阻力运动。因此，经典力学对运动的定义不具备一般意义。

（3）能量学的本质定义为：运动的本质是运动主体的能量的活动现象。具体地说就是运动主体所具有的能量元的数量的得失变化。这个定义包含了有阻力运动与无阻力运动。

能量活动是指运动主体的能量的得失，也就是能量元的转移或者转化活动。

同时，我们还不难看出，物体运动的过程就是能量的活动过程。比如，一辆汽车从甲地运动到乙地的过程中，汽车的发动机从启动运转到停止，发动机能量的活动伴随着运动过程的开始到运动过程的结束而结束。这就说明主体的运动过程实际也就是能量的活动过程，两者是同步同时进行的，没有先后之别，不论什么原因能量活动总是在进行，直到运动过程的结束。

一、惯性与惯性定律的阐释

惯性在物理中是一个重要的概念，反映的是物体的性质，即一切物体都有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。这里“一切物体”指所有物体，即包括静止的物体，也包括运动的物体。“都有”是说没有例外，这就点明了共性。“或”是指如果物体最初是静止的，它就有保持静止状态的性质；如果最初是运动的，它就有保持匀速直线运动的性质。所以惯性的定义就是：物体保持运动状态不变的性质叫做惯性。

惯性是物体本身的一种属性，一切物体在任何时候、任何状态、任何情况下都具有惯性，不可避免，不可克服，惯性与外界条件无关，与受力与否、受力大小、处于何种状态、状态如何改变等均无关。好比一口缸，装满水时可容纳水1立方米，说明这缸有这样的大容纳本领，还是这口缸，不装水时，同样还具有容纳1立方米水的本领，并不因为不装水就没有容纳水的本领。惯性大小只与质量有关，质量大，惯性大；质量小，惯性小。质量是惯性大小的量度。

把一切物体都具有惯性的种种认识，总结概括上升为理论认识，人们得到这样的规律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态，即惯性定律，也称牛顿第一定律。它是物理规律，反映的是物体在“不受外力”作用时的运动规律。“一切物体”指所有物体。“总”是说没有例外和从始至终，这就点明了规律性。“没有受到外力”是指明惯性定律成立的条件。惯性定律指出了一切物体都有惯性，提示了物体在一定条件下物体的运动状态，反映了物体的运动规律。

惯性是物理概念，惯性定律是物理规律，二者有严格的区别，凡是一个定律都揭示事物在一定条件下的结果，因此定律内容的构成总包含有两部分，即条件及结论。惯性定律的条件是“没有受到外力”，“结论是物体保持静止状态或匀速直线运动状态。”惯性定律揭示了物体在不受外力作用时如何运动的问题，为突出物体仅在惯性支配下运动，故称惯性定律。“保持原来静止状态或匀速直线运动状态”的性质，与“保持原来静止状态或匀速直线运动状态”的原因是两回事，不可混为一谈。惯性是物体固有属性，不随外界条件的改变而改变，一切物体在任何情况下都有惯性，当物体不受外力时，表现为物体保持静止状态或匀速直线运动状态；当受到外力时，表现为物体运动状态的改变有难易之别。

其次，不能将力和惯性混为一谈，不能将惯性认为是力。惯性是物体保持原有速度（状态）不变的性质，力是改变速度（即产生速度变化）的原因，前者要“保持不变”，后者要“迫使改变”，前者是“物体固有”，后者是“施力者外加的”。物体有保持原来状态的性质，但没有保持状态改变的性质，因为前者“不受力作用”，后者必须有力的作用才可使状态改变，物体可以不受力或所受外力和为零，但物体的惯性却永远不会为零，力改变运动状态，而不是使物体产生运动和保持运动的原因。

理解惯性时，一些同学对实际中的惯性现象难于解释，常发生一些理解上的错误。例如，一些同学根据“汽车速度越快，刹车后停下来所用时间越长”的现象，误认为物体速度大则惯性大，这是把速度和惯性错误联系起来了。其实，惯性大小是由物体质量来量度的，质量不变，惯性大小就不变。质量一定，且制动阻力一定时，速度减小的快慢是一定的，即加速度一定，这反应物体保持状态本领一定。只是因为速度大，减小为零所用时间长，制动所用时间就越长。同时从静止开始起动的小汽车和载重车，在相同外力作用下，小汽车启动得快，载重车启动得慢，这说明载重车保持原来状态的本领大，所以启动得慢；同样的道理，在刹车时，载重车由于保持原来状态的本领大，就比小汽车要行驶更长的距离才停下来，由此说明质量大的物体，其惯性大。

有些同学根据“站在车里的人在急刹车时比缓慢刹车时向前冲得利害”的事实，错误地得出结论“速度改变快惯性大”。其实不论快刹车，还是慢刹车，人的惯性大小都是一样的。只是由于急刹车时，车子停得快，人体的惯性运动相对车子的减速运动显得快，慢刹车时，由于车子速度改变慢，人体的惯性运动相对于车子减速运动显得没有那么突出。

在我们的生活中，我们经常利用惯性来解决各种问题，例如机动车在靠站前的一段距离就关闭发动机，利用车的惯性行驶完余下这段路程，从而实现节约能源的目的。飞机空投时，必须提前投掷才能投中目标。因为当它离开飞机后，虽然在竖直方向上受到重力作用要下落，但在水平方向上却未受到外力作用，由于惯性，物体仍然保持原有的水平向前的运动速度。

除此以外，我们还要防止惯性带来的不利情况的发生，譬如，为保持行驶车辆的安全，对行驶车辆限制车速；车与车间前后要保持一定的距离；小汽车前排司机和乘客必须系安全带，等等，这些做法的目的都是为了减少因惯性而带来的伤害，惯性在我们的生活中有利也有弊，关键在于我们如何更好地利用惯性来为我们服务。

二、参照系

我们在说一个事物是处于什么样的状态时，必然要拿一个可以作为参考的物体进行判断，因此，参照系在我们的生活中也是具有十分重要的作用的。参照系在物理中具有十分重要的意义。

参照系是为了确定物体的位置和描述物体的运动而被选作参考的物体或物体系。初中阶段称之为“参照物”，高中阶段称之为“参考系”。

参照系的选择

如果物体相对于参照系的位置不变，则表明物体相对于该参照系是静止的；如果物体相对于参照系的位置在变化，则表明物体相对于该参照系在运动。同一物体相对于不同的参照系，运动状态可以不同。在运动学中，参照系的选择可以是任意的。研究和描述物体运动，只有在选定参照系后才能进行。如何选择参照系，必须从具体情况来考虑。例如，一个星际火箭在刚发射时，主要研究它相对于地面的运动，所以把地球选作参照物。但是，当火箭进入绕太阳运行的轨道时，为研究方便，便将太阳选作参照系。为研究物体在地面上的运动，选地球作参照系最方便，例如，两架在天空中以相同不变的速度平行飞行的飞机，若其中一架飞机以另一架飞机为参照物，则它们都是静的；若是以地面为参照物，则两者都是运动着的。因此，选择参照系是研究问题的关键之一。

从运动学角度看，参考系可以任意选取。对一个具体的运动学问题，我们一般从方便出发选取参考系以简化物体运动的研究。古代研究天体的运动时，很自然以地球为参考系。托勒密的“地心说”用本轮、均轮解释行星的运动。哥白尼用“日心说”解释行星的运动时，也要用本轮和均轮。从运动学角度看，“日心说”和“地心说”都可以同样好地描述行星的运动。但从研究行星运动的动力学原因的角度看，“日心说”开通了走向真理的道路。开普勒在“地心说”的基础上，把行星的圆周运动改变为椭圆运动从而扔掉了本轮、均轮的说法，并在观测的基础上建立了行星运动三定律，作出了重要的贡献。牛顿进一步揭露了开普勒三定律的奥秘，建立了万有引力定律、概括出“万有引力”概念。我们应该注意，从运动学看所有的参考系都是平权的，选用参考系时只考虑分析解决问题是否简便。从动力学看参考系区分为惯性参考系和非惯性参考系两类，牛顿定律等动力学规律只对惯性参考系成立，对不同的非惯性参考系要应用牛顿定律需引入相应的惯性力修正。

质点的机械运动表现为质点的位置随时间变化。质点的位置是相对于一定的参考系说的，参考系是指选来作为研究物体运动依据的一个三维的、不变形的物体（刚体）或一组物体为参考体，在参考体上选取不共面的三条相交线作为标架，再加上与参考体固连的时钟。即参考系包括参考体、标架和时钟，习惯上我们把参考体简称为参考系。为了定量地描述物体的运动，我们在参考系上还要建立坐标系，直角坐标和极坐标是最常用的两种坐标形式。

牛顿把做匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系。1905年，爱因斯坦在他的论文中提出，所有的惯性参考系都是等价的，也就是说，一切物理定律在惯性参考系中都同样适用，具有相同的形式。爱因斯坦的观点是正确的，因为人们不能在任何一个惯性参考系内部(也就是说，不参照这个参考系外部的物体)用任何物理定律去发现这个参考系与静止的参考系有什么差别。正是在这种认识的基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。

那么，如果我们处在一个非惯性参考系中，又如何呢?非惯性参考系的运动具有一定的加速度，可是，这种加速度可以被看做是一种重力(即万有引力)。例如，我们在电梯中，当电梯加速下降或者减速上升时，我们会感到身体有些轻飘飘的，重量似乎减小了。我们在电梯中不看外面的参照物，并不知道电梯在加速还是减速，只感到重力在变化。

三、扩散现象

扩散现象是我们耳熟能详的一种物理现象，生活中我们经常接触到扩散现象，比如我们每天放学回到家中，一进家门就闻到妈妈在家做饭的菜香味，这就是一种扩散现象，菜肴的香味扩散到空气中，又进入我们的鼻子中，于是我们就能闻到香味了。把一滴红墨水滴入一杯纯净的水中，过一会儿，就能发现整杯纯净水都变成了红色，这种现象也是由于扩散造成的。把一块黑煤块放在白色墙壁的墙角，过一段日子就会发现，放置煤块的白色墙角也变成了黑色，这也是发生了扩散现象导致的。

扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域运动，直到均匀分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。

气体分子热运动的速率很大，分子间极为频繁地互相碰撞，每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高，分子运动就越激烈。在摄氏0度时空气分子的平均速率约为400米/秒，但是，由于极为频繁的碰撞，分子速度的大小和方向时刻都在改变，气体分子沿一定方向迁移的速率就相当慢，所以气体分子在一定方向上迁移的速率比气体分子运动的速率要慢得多。

固体分子间的作用力很大，绝大多数分子只能在各自的平衡位置附近振动，这是固体分子热运动的基本形式。但是，在一定温度下，固体里也总有一些分子的速度较大，具有足够的能量脱离平衡位置。这些分子不仅能从一处移到另一处，而且有的还能进入相邻物体，这就是固体发生扩散的原因。固体的扩散在金属的表面处理和半导体材料生产上很有用处，例如，钢件的表面渗碳法(提高钢件的硬度)、渗铝法(提高钢件的耐热性)，都利用了扩散现象；在半导体工艺中利用扩散法渗入微量的杂质，以达到控制半导体性能的目的。

液体分子的热运动情况跟固体相似，其主要形式也是振动。但除振动外，还会发生移动，这使得液体有一定体积而无一定形状，具有流动性，同时，其扩散速度也大于固体。

将装有两种不同气体的两个容器连通，经过一段时间，两种气体就在这两个容器中混合均匀，这种现象叫做扩散。用密度不同的同种气体实验，扩散也会发生，其结果是整个容器中气体密度处处相同。在液体间和固体间也会发生扩散现象。例如把两块不同的金属紧压在一起，经过较长时间后，每块金属的接触面内部都可发现另一种金属的成分。

扩散是由于微粒（原子、分子等）的热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。在扩散过程中，迁移的分子不是单一方向的，只是由密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。

扩散有互扩散、自扩散、热扩散、热流逸及强制扩散等形式。

互扩散

例如把一容器用隔板分隔为左、右两部分，其中分别装有两种不会产生化学反应的气体A和B。两部分气体的温度、压强均相等，因而气体分子数密度也相等。若把隔板抽除，左边的A气体将向右边的B气体中扩散，同样右边的B气体将向左边的A气体中扩散。经过足够长的时间后，两种气体都将均匀分布在整个容器中，这就是互扩散。由于发生互扩散的两种气体分子的大小、形状可能不同，它们扩散速率也可能不同，所以互扩散仍是较复杂的过程。

自扩散

是一种使发生互扩散的两种气体分子之间的差异尽量变小，使它们相互扩散的速率趋于相等的互扩散过程。较为典型的自扩散例子是同位素之间的互扩散。因为同位素原子仅有原子核质量的差异，核外电子分布及原子的大小均可认为相同，因而扩散速率几乎是一样的。例如若在二氧化碳气体（其中碳元素为碳12）中含有少量的碳元素为碳14的二氧化碳，就可研究后者在前者中由于浓度不同所产生的扩散。具有放射性的碳14浓度可利用β衰变仪检测出。

热扩散

1879年索里特发现物质两端的温度差也可引起扩散流。其扩散通量密度（在单位时间内在单位截面积上扩散的粒子数）。扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布。

热流逸现象

在气体压强足够低时发生的热扩散现象。由于小孔两边气体温度不同，使达稳态后小孔两边气体压强也不等。这与通常开孔较大时，孔两边的气体压强最后趋于相等的情况截然不同。这种由于气体压强不同而导致气体温度也不同的现象称为热分子压差，或称为热流逸现象。

强制扩散

是在外界条件影响下产生的扩散。

生活中扩散现象随处可见，了解扩散原理可以帮助我们更好地运用扩散原理为我们服务。

光学的奥秘

光学的概述

一提起光，几乎每个人都感觉它并不陌生，知道光能照亮，能发热，但至于其他的光学知识，你了解的又有多少呢？本章节将带领你到光的世界来了解一下关于光的其他具有探讨性的知识。光可分为自然光和人造光。回顾历史，在原始社会山顶洞人时期，山顶洞人会人工起火，这便是最早的人造光。经过数千年的变化及发展，人类在光学上已经取得了巨大的突破。

光是在宇宙中传播速度最快的，特别是在真空中，每1秒能传播299792000米。而地球离太阳约150000000000米，它从太阳出发，经过大约8分钟便能到达地球，如果一辆每小时跑1000千米的赛车不停地跑，要经过11年才能跑到地球。

大气能够把阳光散射向四面八方，所以各处都能看得见。而在宇宙中，虽然阳光很强，但没有大气的散射，便能够看得见太阳与繁星同时出现；而地球上繁星的光传播较长，因而光变弱了，也就被地球上的一些物体的反射光阻挡了。

至于光的反射，更常见了。它可分为镜面反射和漫反射。当光射到物体表面时，便会发生反射现象。人之所以能够看到物体就是因为物体反射了光。从一个方向的光射到表面光滑的物体时，它反射的光就会沿同一个方面反射去，因此，在有反射光的地方才可以看到物体，而在别的方位便看不见物体，这种反射叫镜面反射。而漫反射是光射到表面粗糙的物体时发生的反射现象，这种现象让我们在各个方向都能看见物体。

折射是光从一种介质向另一种介质传播时，在两种介质的界面发生的光的传播方向发生改变的现象。其实，太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色组成的。那么，白色呢？白色其实由各种色混合而成的，彩虹便是阳光经过空中的小水滴折射形成的。人们常说的“潭清疑水浅”，其原理是光的折射，因为光的传播现象发生了偏折而成的现象。

用透明的红色物体看别的物体时，所看到的物体会呈现出红色，这是因为它只让红光通过，而吸收了其他的色光，所以物体呈现红色。因此可以说，用什么颜色的透明物体看另一物体时，后者就会呈现与透明物体一样的颜色。不透明的物体，则反射它本身的颜色，因此我们看到了五彩缤纷的世界。

天空是蓝色的，那是因为大气、水滴等悬浮微光粒对阳光中波长较短的蓝光散射得较多，至于傍晚，只有波长较长的红光、橙光穿过厚厚的大气层，而没有被散射掉，于是便只有红光、橙光射入我们的眼睛，便只看到了这两种颜色的云。

雾灯为什么选用黄、红两种透明塑料作灯罩，那是因为黄光、红光波长短不易被散射，而且人眼对黄、绿光也比较敏感，因而选择了黄、绿灯。下面我们就进一步深入的了解一下光真正的奥秘所在。

一、光的本质和它的来龙去脉

虽然现代物理学已经将光学现象研究到了更加深层次的阶段，但是对于光的本质及其来源我们是否也十分了解了呢？

光到底是什么？是一个值得研究和必需研究的问题。当今物理学就已经又到达了一个瓶颈，即相对论与量子论的冲突，光的本质是基本微粒还是像声音一样的波（若是波又在什么介质中传播），这一瓶颈对未来研究具有指导性作用。

在我所设想的时空框架内，“光”（或者电磁波）应该是物质释放它所累积的时空势能的表现形式，它相对于物质所处时空有着最大的能量差异，而相对于原始时空（宇宙启动的瞬间，最小时间、距离、能量的状态）它们的能量差异为零。所以，“光”的本质可以说就是物质回归“原始时空状态”的过程。相对于当下时空，它的时间值和空间值近似于无穷大，质量趋向于零。“光”的频率是物体回归原始时空“速度”（单位质量的物体转化为光能所需要的时间）的表现，频率越高表示单位时间内有较多物质回归，“光”的频率不可能超过光速与普朗克最小长度之比。而“光波”则代表了物质最小的量子单位在回归原始时空时所具有的单位“能量”，物质回归原始时空是以波动或者说是以量子级的跳跃方式完成的，所以这种理论认为“光”以至于最基本的物质都是以“波”的形式存在。

“光”由于是原始时空的存在形态，在那个状态下，时间和空间还无法区分，所以“光”就有了时、空的两重性，它相对于我们所处时空既表现了它的空间性质，也显示了它与时间的关系；它在我们所处的时空状态，表现了时空相对于我们的膨胀速度，这决定了它相对于处在这个时空状态中（当下）的任何事物都具有相同的速度c。同时，相对于我们所处的时空，它也体现了相对于处在这个时空状态下的物体的时间值，或者也可以称之为时间的行进“速度”；这个“速度”是“时间”（从远点到当下时空层面）每秒钟可以扩张30000千米的空间距离。“光”之所以被现代的物理学（广义相对论）在形容时空时放在时间元和空间元之间的坐标轴的位置上，其根本原因（物理意义）也在于此。

太阳光

“光”相对于光源都是以辐射形式以光速离它而去（激光是加上人为因素的特殊情况，但它同样是由光源所在的当下时空层面“返回”原始时空层面），从当下时空层面指向时空的原点，它之所以具有光速，是因为时空是以这个速度相对于原始时空膨胀，是因为引力场的传送波的速度是当下时空的极速。所以处在当下时空中的事物相对于“光”（代表了原始时空状态）也就有了这个速度（对于“光”来说是回归速度）。那么，“光”为什么会“辐射”？这是因为相对于我们，原始时空（宇宙形成时相对于我们近140亿年以前的瞬间）处在离光源几乎140亿光年远的宇宙任何方向的边缘，因此，“光”可以向任何方向回归。可能有人会问，“光”既然已经是原始时空状态，为什么在我们看来，它回到原始时空还需要“时间”？这就是爱因斯坦狭义相对论时空变换式所表达的意义，“光”相对于我们具有光速，在我们看来，它回到原始时空（相对于我们是宇宙的边缘）要花100多亿年的时间，但相对于“光”本身，正因为它是处在“原始时空状态”它的时间和空间值趋向于“无穷大”，所以就它而言，它回到原始时空几乎没有花时间。而且原始时空与它之间也几乎紧密相连。

由于每单位质量的物质所转化的“光”相对于它所在时空（当下时空层面）具有最大的能量，所以，在它的回归过程中一旦与其他物质相遇，若不是反射或穿透该物体，这些能量就会被该物体俘获而转化为“物质”并滞留在物质之中。

“光”的波、粒二相性，同样也是它的时、空两重性所造成；物质最基本的组成应该是波，这种“波”可以被称之为“光波”、“电磁波”、甚至“时空波”，当它们在“引力势”的束缚下，形成的波包以“光速”围绕着某定点转动，所以，物体在量子级，要是它相对于“当下”时空层面相对静止的话，引力相对于“光波”作用可以形成一个微型“黑洞”。并保持了与当下时空势的均衡，它们（这个定点）相对于“当下”时空就呈现出静止状态，这时，“光”或基本粒子就呈现出它的“粒子”性，反之，一旦外界因素打破了这种均衡，“波包”一旦被打破，就会立即以“光速”回归到它的本来面目——“波”，并以“波”的形式向周围辐射（回到原始时空的形态）。这也就是为什么现代的物理学家们在实验室中观测到静态的“光子”时，就无法观察到它的“波”的形态，而在观察到它的“波”的形态时，却又失去了它“粒子”踪影的根本原因。

“光速”相对于任何物体都有一个定值，这个值与该物体的“运动方向”无关，这是因为，物体相对于其他物体的运动速度只是它与该物体时空差异的表现，任何物体都有自己的时空状态（时空势），它都可以认为自己是“静系”。物体的时空状态，本质上也代表了它与原始时空的时空差异，这种差异，决定了它的时空值，因此也决定了时空相对于它的膨胀速度，当然，也就决定了光相对于它的速度。所以，光速虽然与物体相对于我们的运动方向无关，但一旦物体相对于“当下”时空层面有了非常大的“速度”时，它就是处在于时空原点较为接近的时空状态，“光速”相对于它就会有不同的较小的数值。这个数值可以用狭义相对论的时空变换式求得，在物体相对于“当下”时空层面的速度不是很大的时候，“光速”的这种差异是很不容易被观察到的。这也就是在地球上的实验条件下，所求得的“光速”始终不变的原因。但在观察光线通过它引力星体附近的时候，已经发现了很多光的延缓现象。这种现象，广义相对论用空间弯曲加以解释，认为由于光在弯曲的空间中走了较多的路程，所以花了较多的时间。

以上对光的本质以及光的来龙去脉进行了一些分析，是我们对光的初始知识有了比较深刻的了解，相信随着物理学的不断发展，对于光的研究也必将跨入一个新的阶段。

二、光与物质的相互作用

大海为什么是蓝色的？花儿为什么是红色的？这些问题我们在很小的时候就已经提出来了，但是，我们知不知道眼里所看到物质的颜色产生的真正机制是什么呢？光与物质之间是怎么相互作用的呢？

光的波长范围在4000纳米～7000纳米之间，其长波部分是接近红颜色的，即低频部分；而短波部分是接近紫颜色的，即高频部分。我们看到的红色就是接近于红颜色那部分的低频光；而蓝色就是接近于紫颜色那部分的高频光。红色的物体看上去之所以是红色的，是因为红色物体将照到它上面的红色光反射了出来，使我们能够看到它。那么物体对光的这种反射作用是否就像乒乓球碰到墙壁上被反弹回来一样简单呢？了解了物质的微观机制后，我们会清楚，并不是那么简单。

无论是气体、固体还是液体，当我们将其分割到原子尺度时，我们必须用近代物理量子理论去分析物质发生的物理事件。量子理论告诉我们：组成物质的原子处于一系列不连续的能量状态。通常情况，原子处于基态，即最低能量状态，而各能量状态的取值又取决于组成原子的核外电子的分布。当这些电子受到某种光的扰动时，可使原子从某一能量状态变化到另一能量状态，即从某一能级变化到另一能级。我们看到不同物体具有不同的颜色，是与这些电子在日光或人工光影响下产生的一系列变化有密切关联的。

由量子理论我们知道，光传播或与物质相互作用时，采取波包形式，也叫光子，每一频率的光对应的光子的能量为hv。组成物质的原子处于一系列不连续的能量状态中（即能级），在通常情况下，它们处于最低能级，叫基态。当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态。如果某种频率的光子的能量hv恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收，使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态；当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色。

多数物体不能将投射到其上的光全部反射出来，我们看到的只是其中部分反射回来的光。当然，也有一些入射光以较低频率的光再发射出来，比如我们看到有些物体会发出荧光，就是这个道理。

现在我们以红色为例谈谈物体的红色。组成物质的分子或原子具有不同的能量状态（我们也叫能级）e1、e2、e3…en，当其中两能级间的能量差Δe刚好等于入射白光中的红光光子的能量hv时，红光光子将被原子吸收，使原子从某一低能级en变化到某一较高能级en，；经过一短暂时间后，原子又从较高能级en，回到原子低能级en，并将能量差Δe以红光光子的形式重新发射出来，于是我们看到的就是再发射出来的红光光子。但它是经过一系列变化后重新产生的，而不是像乒乓球碰到墙壁上反弹回来那么简单，这就是我们所说的光的反射。

那么，白光中其他颜色的光为什么没有被再反射出来呢？

因为组成物质的原子的能级差并不完全对应着各种颜色的光子的能量，因此，它们不可能都产生以上的变化，如果我们将上述光子和原子发生的现象叫共振的话，那么没有发生以上现象的光子和原子就属于非共振。发生共振的光子被重新发射出来；发生非共振的光子在与原子作用时，我们可以比拟成因摩擦或碰撞因素被损失掉了，转化成了其他形式的能量。对固体或液体来说，这部分能量转化为热运动能量。

我们把原子处于不同的能量差比拟成对应的各种频率ω0，而把照射到物体上的光比拟成驱动力频率ω，当ω=ω0时，才发生共振。当光子与原子发生共振时，原子就从较低能级变化到较高能级，在重新回到较低能级时，就将这种光子重新发射出来。

因此我们说，红色物体的原子与白光中的红光发生了共振，红光能重新发射出来。而红色物体对其他色光是非共振的，光子继续向物体内部传播。因各种阻碍因素使光子的能量转化为热运动的能量，但也有少数的其他色光有很小的机会被反射出来。

玻璃和水的原子所对应的能级差对白光来说都属于非共振的，且差别较大，故它们对白光不吸收，白光能直接穿透过去，因碰撞损失的能量也较少，因此，它们对白光是透明的。但在表面也有光子有机会被反射，由于这个反射使我们看到了物体的轮廓，玻璃和水越纯反射机会越小，它们的存在也越不易被感觉出来。

天空中的蓝色又是怎样形成的呢？

蓝蓝的天，蓝蓝的海

地球表面被大气包围，当太阳光进入大气后，空气分子和微粒（尘埃、水滴、冰晶等）会将太阳光向四周散射。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种光组成，以红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光等色光透射性最大，能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。在短波波段中蓝光能量最大，散射出来的光波也最多，因此我们看到的天空呈现出蔚蓝色。

其实，天空一直是蓝色的。在高原上几乎天天都可以看到蔚蓝色的天空。春天风沙弥漫，夏天满天云彩，冬天烟雾重重，经常妨碍我们看到蓝天，只有秋天空气洁净，使我们看到蓝天的机会增多。

在太阳光通过大气层入射到地球表面的过程中，大气层中的空气分子或其他质点（如水滴、悬浮微粒或空气污染物）会对日射有吸收、散射、反射、透射等作用，而形成了蓝天、白云或绚丽的夕阳余晖。在没有大气层的星球上，即使是白昼，天空也将是漆黑一片。

蓝天美丽的蓝色是因为空气分子对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射量与质点的大小有极大关系，当质点的直径小于可见光波长时，散射量和波长的四次方成反比，不同波长的光被散射的比例是不同的，此亦称为选择性散射。以入射太阳光谱中的蓝光（波长=0.425微米）和红光（波长=0.650微米）相比较，当日光穿过大气层时，被空气质点散射的蓝光约比红光多五倍半，因此晴天天空是蔚蓝的。

光的散射使天空的颜色呈现蓝色

但当空中有雾或薄云存在时，因为水滴质点的直径比可见光波长大，选择性散射的效应不再存在，此时所有波长的光将毫无差别地散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。

晴天空中有白云时，云内的水滴直径更大，日光照射到它们时已非散射而是反射现象，所以天空看起来更显得白而光亮。

那么，为何日出东方或者日落西方的时候天空会呈现出红色呢？其实，光的散射能力因光的波长不同而不同，波长越短，散射能力越强，越容易被散开。通过上边的介绍，我们已经知道，蓝光的波长比红光短，所以蓝光在特定环境下的散射能力比红光强。如下图，日出或者日落的时候，阳光斜射地面，阳光需要穿过很厚的大气层，蓝光由于散射能力很强，所以在到达地面之前就已经大量被散射了，我们只能看到蓝光在天空中的散射。

早晨、傍晚光的散射

此外，由于天空的大气由多种气体组成，稀薄气体中的孤立原子（或分子）与光子作用时所发生的现象与固体、液体与光子作用时不一样。对绝大多数气体分子来说，它们都具有与光子对应的红外区和紫外区的共振，但对可见光不发生共振。加之气体很稀薄，故对可见光来说，气体是透明的，我们的眼睛甚至感觉不到它的存在。但对红外区和紫外区的光来说气体微粒就能发生共振，其中紫外区的共振机制决定于原子中的电子振荡，而红外区的共振机制决定于

相当于原子核质量的电荷振荡。因此，原子对红外区共振的振幅较小，对紫外区共振的振幅较大。由于频率高、振幅大，散射强度也大，故天空中的大气对入射的白光散射的主要是高频部分的蓝色成分的光，所以天空呈蓝色，这种散射也叫“瑞利散射”。

黑颜色物质的原子在受光照时，对白光既不属于完全的共振，也不属于完全的非共振；否则，前者看起来应是白色的，后者如果同时因碰撞损失的能量也很少，那么看起来就如同玻璃或水一样，是透明的。黑色物体对白光中的各色光都有作用，但又并不简单地再发射出光子，而是通过各种碰撞运动将光的能量转化为热运动能量，因此物体看上去是黑色的，但由于其表面总有部分光被反射回来，所以我们仍能看到物体的轮廓。这也是夏天里穿黑色衣服会比其他颜色衣服更热的原因。

以上对于物质为什么会有各种不同的颜色进行了一些分析，通过这些分析，相信我们会对光与物质的相互作用有一定的了解。

三、光有没有质量和惯性

光到底存在不存在质量和惯性呢？首先我们根据现在公认的理论来作基本的证明，解开光有没有质量和惯性的答案。

现在公认的理论：

惯性：是指一种反抗物体运动状态改变的物理性质。

惯性力：非惯性参照系中物体受到的一种力。

质量：它是物体内部数量的量度，是一个正的标量，用m表示。

在经典力学中认为惯性是物质本身的固有属性，与物体质量的多少有直接的关系。

根据爱因基坦的光量子理论，曾有人提出了如下观点：“光存在微质量在相对论的三大验证之首“光线弯曲”中已经得到证实，光量子理论（爱因斯坦开创）提出了光是由一个微小的颗粒，即光子组成。每个光子很小，尽管它的质量微乎其微，也具有物质所必有的质量，“光线弯曲”实验结果也直接证明了光子质量的存在。”

从另一个角度来看，光具有质量吗？假设光是有质量的，根据物质与能量不会凭空守恒定律产生也不会凭空消失的理论，光来自于一物体，光的质量也应该来自于发光物体。由于物质与能量不会凭空地产生也不会凭空地消失。因此，宇宙中万事万物都逃脱不了此定律，即物质守恒定律。能量也不会无缘无故地产生或消失，能量可以转换，或由物质生成，但不能无缘无故地产生或消失。根据这个理论，光子的质量也不是无缘无故来的，应该是来自于发光物体。我们可以做一实验来证明光子是否有质量：可以在一绝对密闭的容器，放上一电池连接一灯泡，然后放入绝对密闭的容器，灯泡发出的光可以射出容器，在密闭后的T0时刻测其总质量为M0，经过一段时间后，在T1时刻测其总质量为M1，然后比较M0与M1的大小（总质量包括容器本身和容器内的一切物质的质量）。

如果光子真的有质量，那么它的质量来自于发光物体，物体本身的质量应该有所减少，M1应该小于M0。

在此实验中，如果M1小于M0，那么质量守恒定律将是错误的。因为电池内、电池与灯泡之间和灯泡所发生的反应只是化学反应，也就是说不应该有质量的减少，如果有质量的减少那么质量守恒定律的正确性何在？只有在发生核裂变或者核聚变时，才会有物质的质量减少，且减少的质量转化为能量。由此可以看出，光不具有质量，否则质量守恒定律将失效。

关于光量子理论中所说光有“质量”，此“质量”绝非我们在宏观物理含义上所理解的物体质量，而是根据受因斯坦的质能方程，由于光是有能量的，而定量的能量又等同于一定量的质量，故此说光有质量，但绝非我们理解的物体的质量。

由于我们论证得知光不具有质量，因此，由光具有微质量而得出光具有惯性的结论也是不准确的。

四、光速是不是速度的极限

我们平时说快还是慢都是有参照物来作为参照的，作为传播速度相当快的光速来说，我们已经对其惊叹不已，那么我们不禁要问，在这茫茫宇宙里，还有没有比光速更快的物质存在呢？

快与慢本来是相对的，并非绝对的，人们判断快慢往往需要一个参照物，要么与人走动的快慢相比，要么同静止的大地对照。两列火车相向行驶，一辆火车里的乘客看到另一辆火车飞驰而过，速度很快；若是两列火车同向行驶，可能火车里的乘客会看到另一辆火车的速度不快甚至静止、倒退，这是由于乘客自身的运动速度不同，他观察到的另一列火车的速度也就不同；换一种说法，即物体运动的速度对于不同的参照系是可以不同的。但是，我们能不能就此得出结论：所有物体相对于“以不同速度运动着的参照系”的速度都是不同的呢？答案是否定的！光速就是其一。实验和计算均证实，真空或空气中光速的大小与参照系的运动无关，在静止的火箭或是飞驰的火箭上测光速，它总是常数c，并且光速的大小还与光源的运动状态（速度、方向）无关，这就是狭义相对论的“光速不变原理”。也就是说，将光源安装在火车、飞船上，不管火车、飞船静止还是奔驰，测得的光速都是一样的，光在真空中的速度大约总是300000千米／秒。相对论有一个根本的立论：光速在所有已知速度中是最大的，任何物体的运动速度，不能超光速，光速是自然速度的极限。

光速的计算、测定及相对论对速度的限定

“300000千米／秒”这个光速的数值是怎样得到的？

光速的测量已进行了几百年。第一个认为光是以有限速度传播的是意大利的科学家伽利略，他在1638年所做的实验因条件所限而没有得到结果。1675年，丹麦天文学家奥劳斯·雷默在观测木星的卫星被木星掩蚀现象时，对光速作了粗糙的估算，第一次得到了光速的数值为214000千米／秒。这个估算结果误差很大，究其主要原因是当时人们对地球的直径了解得不够准确。在这以后，随着实验设备不断改进，实验技术不断提高，光速测定实验的精度也就不断提高。到1972年，埃文森利用激光技术，实验得到了精确度上前人无可比拟的光速数值为c＝299792.458±0.00012千米／秒。1983年10月，第17届国际计量大会把c=299792.458千米／秒作为光速的确定值，这同理论上计算出的c＝299792.50千米／秒相吻合。在理论上第一个做出精确计算的人则是电磁场理论的奠基人麦克斯韦，他在自己创建的电磁场理论中，不仅证明了光是一种电磁波，而且还从真空的介电系数ε0和导磁率μ0计算出真空中的光速。

可是，当物体的速度接近光速时，物体的特性却会发生意外的变化。其中之一是物体质量会随之增加，与光速愈接近，质量增加得愈大。

一个物体的质量是无限大，这是不可思议的。要使一个趋向无限大的质量加速，无疑需要一个趋向无限大的力。可是，自然界里，没有一个物体的质量是无限大的，也没有一个力是无限大的。宇宙广阔无垠，但其中每一个成员如太阳、地球却都是有限的，每个成员受到的力也是有限的。这样，唯一正确的论断只能是一切物体运动的速度不能超过或者等于光速。有质量的物体其速度不可能达到光速。

为什么在日常生活中我们观察不到相对论所预期的质量增加呢？因为通常物体运动的速度太小，质量增加的效应不明显。以每秒11千米的逃逸速度（即能使物体脱离地球影响成为太阳行星的第二宇宙速度）运动着的火箭为例，如果它在地面上的质量（静止质量）是100千克，则11千米／秒的速度只能使它增加0.35毫克。粒子加速器里的情况就不同了，如果带电粒子的速度升高到250000千米／秒，则它的质量将增大到静止质量的两倍以上，这时不仅要它继续加速会越来越困难，还会出现由于质量增加产生的种种问题。

宇宙观测中的超光速现象

光速不可超越的结论对不对呢？我们所常见的大量事实证明这一结论是正确的。目前世界上最强大的加速器都无法将带电粒子如电子、质子加速到等于光速。但是，科学家却从宇宙星体的观测中发现了似乎是超光速的现象：

20世纪60年代，天文学家用射电望远镜所发现的“类星体”中，有一些包含两个射电的子源，它们以很大的速度相互分离，有的分离速度就远远超过了光速。

1972～1974年，美国的一些天文学家发现，塞佛特星系3C120自身膨胀的速度达到了光速的4倍。

1977年前，又陆续发现“类星体”3C273、3C345和3C279各自的两个组成部分的分离速度分别达到光速的9.6倍、10倍和19倍。

近年来，天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪，又新发现了10个类星体的两个子源，其分离速度均达到光速的7或8倍。看来，河外射电源的各组成部分分离的超光速膨胀现象并非是罕见的事例。

那么，这一违背狭义相对论的物理现象如何来解释呢？英国剑桥大学的天文学家兰登·贝尔认为，这是一种光学错觉。他提出，仍然要用爱因斯坦学说来阐明其原因：如果两子源以近乎光的速度向着地球运动，则将会使我们产生时间感觉上的差异。因为发射较晚的光越过较短的距离，使地面观测者看到运动所经历的时间要比两子源实际分离的时间为短。因此，从两子源各自的参照系来看，它们向外膨胀的速度并未超过光速。但若两子源以垂直于视线的方向离开，则不会产生超光速错觉。这是目前天文界比较流行的一种解答模式。为了使读者明了这个模式，再举一个飞机飞行的例子。一架亚音速飞机从你头顶上俯冲斜插而下，在1千米高度上飞机发动机发出一声特别的响声，当飞机下降到100米高度时又发出同样的一声响声，按照距离，1000米高度发出的响声会比100米高度发出的响声早几分之一秒传到我们的耳朵里。在这种情况下，我们要是仅仅根据这两次响声来计算飞机的速度的话，我们会得出飞机在几分之一秒内从1000米下降到100米的结论，这样一来，飞机的速度就大大超过音速了。这种与声波传播的时间差相类似而引起的错觉，在光波和无线电波的频率范围内也同样存在。有人计算过：如果两个射电源的轨道轴与观测者视线之间形成的夹角为12度的话，那么，它们离开的实际速度就会比视速度高出10倍。

为了解释类星体的超光速现象，还有人提出了“投影效应说”，认为如果直角三角形直角边上的两点，互相以接近光的速度分离，它们在斜边上的投影点就可能作超光速分离。自从科学家们发现天体的引力场能使光线会聚的“引力透镜效应”后，又有科学家把类星体的超光速现象说成是引力透镜放大的结果，认为这只能说是一种超光速的表象，它也许由别的原因造成，还不能算作超光速的实例。

狭义相对论的结论

如果一个物体的速度超过光速又会怎样呢？狭义相对论的有关方程告诉我们，这个物体的长度和质量，将不能用一般的实数来表示，而必须引用虚数。人们曾认为这是无法想象的，因此断定这种东西是不可能存在的。但是，把不可想象的东西认为是不能存在的东西，似乎有点武断。

光速不变的结论，在爱因斯坦建立相对论时并没有什么实验依据，而是他的一个大胆的假设。爱因斯坦把光速放到这种与众不同的特殊地位，当然直接破坏了人们十分熟悉的速度合成关系，因此曾遭到众多的非议。然而，到目前为止，有很多实验都证实了它的正确性。

爱因斯坦的相对论同样也要遵守事件发生的因果律。根据因果律的要求，有因果关系的两个事件发生的先后顺序，无论从哪个参考系来看都是不容颠倒的，也就是说，一切物体的运动速度小于光速才能保证因果关系不会颠倒。事实上，首先是因果关系在任何情况下不允许颠倒，才导致了光速是任何物质运动的极限速度，也是一切相互作用传播的最大速度；反之如果物体的速度大于光速，就会出现因果颠倒的荒谬局面。相对论明确指出，任何物体（或粒子）的速度总是小于光速c，最多等于光速c，这个理论上的结果已被大量实验所证实。然而，狭义相对论只对物体的运动速度，或者信号传播和作用传递的速度给出了极限，而并没有限制任何速度都不能超光速，并且，应该说狭义相对论也并非万能的理论，它也有其使用的条件和范围，因此，我们不能仅根据一个光速不变原理而去排除自然界本来就存在超光速粒子的可能性。

“快子”到底存在不存在？

近年来，有人将自然界的粒子分成慢子、光子和快子三类，按静止质量（m0）的大小，慢子m0＞0，光子m0＝0，而快子m0＜0，快子就是比光运动得还快的粒子。

最先假定快子存在的是美国科学家比拉纽克和苏达珊，直到1967年，美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格才确定了快子在科学中的地位。他认为快子应该存在，只不过它具有负重力的性质，也就是它同我们这个宇宙中的物质不一样，并不是因为万有引力而相互吸引，恰恰相反，而是相互排斥的。如果把我们的宇宙称作“慢宇宙”的话，那么，由快子构成的宇宙，则是“快宇宙”，光速是“慢宇宙”与“快宇宙”的分界线。在“快宇宙”中，会出现许许多多在“慢宇宙”中看来荒唐滑稽的事情，譬如，在“慢宇宙”中，不动的东西能量为零，一旦它获得能量，便会运动得越来越快，能量无限大时，它就以光速运动。但在“快宇宙”中，情况恰恰相反，如果快子的能量为零，它就以无限大速度运动，它得到的能量越大，跑得就越慢，当它得到能量为无限大时，快子的速度就降低到光速。在快宇宙里，光速是快子最小的运动速度；而在“慢宇宙”里，光速则是物体运动的极限。

“快子”是不是真的存在呢？有什么迹象可以证明它的存在呢？科学家们认为，确实有可能存在一个并不违反爱因斯坦狭义相对论的“快宇宙”。而如果快子以超光速在真空中运动，那么必然会在飞过的地方留下一条发光的蓝尾巴，物理学家称这种现象为“切伦科夫辐射”，它是由俄国物理学家巴维尔·切伦科夫在1934年宣布发现的。1937年，另外两位俄国物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆解释了这种现象，结果这三位科学家分享了1958年的诺贝尔物理学奖。现在，物理学家正在想方设法抓住快子这条发光的蓝尾巴，以此来证明它的存在。当然，人们要揪住这条尾巴也并不容易，因为快子的速度是惊人的，比光还要快几百万倍；用“一溜烟”、“稍纵即逝”这些字眼都难以描述快子的快速程度。一般情况下，当人们发现快子的蓝尾巴时，它早就逃之夭夭，无影无踪了。

尽管有的科学家把快子描写得栩栩如生，有的科学家却把它视为子虚乌有。看来，只有找到了它，人类才能接受快子及超光速这两个新朋友。

目前关于超光速的实验观测是非常令人关注的，类星体的超光速膨胀现象很可能是宇宙中的正常事例，预计科学家们将会在此领域不断有新的发现。目前虽然并未揭开它的神秘面纱，但对它的研究观察将激发人们对超光速现象的探讨并在地球上想方设法探测“超光速粒子”或“快子”的存在。“超光速粒子”或“快子”的主要领域多集中在天文现象方面，但目前尚无具体结果。

我们的宇宙正在膨胀，根据“哈勃定律”，离我们越远的星系其远离我们而去的速度就越大，照此推理宇宙总会有一个界限，在此界限以内，星系的退行速度不会超过光速，而在界限及界限以外的星系，它们的退行速度又如何呢？在这浩瀚的宇宙里是否还存在着比光速还要快的超光速和超光速粒子呢？目前这个问题还没有得到解决，但随着科学技术以及物理学的进一步发展和完善，揭开光速是不是速度的极限的问题将指日可待。

五、人是怎样感知色彩的

大自然是一个五彩缤纷的世界，所有组成大自然的个体都是色彩斑斓的，那么，我们有没有注意到，是什么原因使得万物都有一定的颜色呢？色彩与光之间到底是什么样的关系呢？我们人类是怎么感受到光的呢？物体的颜色是怎么进入我们人类的眼睛的呢？诸如这些问题我们是否都十分明了呢？这其中有什么奥秘吗？

色彩学本是美术理论首要的、基本的课题。但是，色彩学在物理学理论中也是一门研究色彩产生、接受及其应用规律的科学。由于形与色是物象与美术形象的两个基本外貌要素，

它与透视学、艺术解剖学一起成为美术的基础理论。作为色彩学研究基础的主要是光学，因此它的产生与发展有赖于这些学科（尤其是光学）的长足进展，而色彩学研究的成果又为这些学科提供材料，推动它们的深入。

自然界万紫千红，有丰富瑰丽的色彩。炫金红、日落黄、流星银、宝石蓝……我们的眼睛是怎么感知这些丰富而又微妙的色彩的呢？小时候，我们都喜爱追逐雨后的彩虹，赤橙黄绿青蓝紫，是我们从小就知道的“七色光”，白光是由七色光组成的。我们知道，所有的颜色都可由三种颜色组合而成，它们被称为三原色——红、绿、蓝，比如家中的彩色电视，显像管里就只有三个电子枪，发出了红绿蓝三种颜色电子枪，而不是有七个电子枪。

在物理学中色彩与光的关系十分密切，其中主要运用到的是光学理论。色彩从根本上说是光的一种表现形式。光一般指能引起视觉的电磁波,即所谓“可见光”,它的波长范围约在红光的780纳米到紫光的380纳米之间。在这个范围内，不同波长的光可以引起人眼不同的颜色感觉,因此,不同的光源便有不同的颜色；而受光体则根据对光的吸收和反射能力呈现千差万别的颜色。由色彩的这个光学本质引发出色彩学这部分内容的一系列问题：颜色的分类（彩色与非色两大类）、特性（色相、纯度、明度）、混合（光色混合，即加色混合；色光三原色，即红、绿、蓝；混合的三定律，即补色律、中间色律、代替律）等。孟赛尔综合了前人在这方面的研究成果，建立了“孟氏颜色系统”。

实际上，颜色只是人眼对光波的感觉，而并不是物理上对光的定义。在物理学上，用波长（或频率）和光强度两个参数来定义光。对应不同的波长，人眼会感觉到不同的颜色：

有趣的是，我们经常说“红得发紫”，波长最长的红光和波长最短的紫光在感觉上又连了起来。上表只是一个大概的分类，各种颜色之间是连续变化的，没有明显的界限，人眼对颜色的分辨也是很细微的，好的艺术家能分辨出几十万，甚至上百万种颜色。

通常认为，人眼的视网膜上有两种细胞——杆状细胞和圆锥细胞，其中圆锥细胞主要负责分辨颜色，圆锥细胞有三种，当接收到光时，三种圆锥细胞分别吸收不同的颜色，也就是说，任何颜色进入我们的眼睛后，都会被眼睛分解为三种颜色，并且给每种颜色一个亮度的定义。这些信息传达给大脑后，大脑据此做出判断，于是我们能够感觉到颜色。但是，这只是我们的眼睛对颜色给出的定义，并不是在物理学上把光分解了，单色的光是不能分解的。

由于人眼的这个结构，我们定义了三原色，并制造出了彩色电视，在电脑上可以用这三种颜色不同亮度的组合，模拟出自然界的各种颜色（通常用R、G、B，也就是红、绿、蓝表示这三种颜色，当然也可以用任意其他三种颜色作为三原色，不过研究表明，这三种颜色的组合能模拟较多的其他颜色）。据统计，有5%的男性和0.8%的女性是色盲，他们缺少一种细胞，使得他们对颜色的判断与其他人不同。

物理学上用波长（或频率）和光强度两个参数来定义光，不同的波长代表不同的颜色，所以在物理学上，可以定义出无数种颜色，七色光只是这无数种中的七种而已。而三原色的产生则是因为人眼中负责分辨颜色的细胞有三种。如果是四种，那就要出现四原色！

我们对颜色的判断具有人的“主观性”，不同的动物对颜色的判断是不同的，比如蛇能看到我们看不到的红外线，而猫和狗却是天生的色盲。

自然界的色彩是丰富的，是需要人类充分感受并体会其中的美丽的，深入了解人类感知色彩的原理，这对于我们在对色彩的应用方面有十分重要的物理意义。

六、万花筒的光学奥秘

美丽的万花筒是我们小时候经常喜欢玩的玩具，拿着万花筒可以看到里面有许多特别漂亮的图案花样，简直叫人称奇，但是万花筒里的美丽图案是从哪里来的呢？是什么原因使万花筒有如此般的魔力，如魔术一般变化呢？其中有什么奥秘吗？

万花筒是一种光学玩具，只要往筒眼里一看，就会出现一朵美丽的“花”样。将它稍微转一下，又会出现另一种花的图案。不断地转，图案也在不断变化，所以叫“万花筒”。

万花筒的历史

万花筒诞生于19世纪的苏格兰。由一名研究光学的物理学家发明。２～３年后，传到了中国。19世纪初叶，中国的很多玩具进入日本时、其中也包括了万花筒。当时，作为利用光学的游戏，使人感到新鲜而有趣。

1816年，苏格兰物理学家大卫·布鲁斯特爵士发明了万花筒。布鲁斯特主要从事光学和光谱研究，他在童年时代就十分喜欢光学实验，一生中的大部分时间都花在了他所喜爱的光学上。一次，他在用多面镜研究光的性质时，看到了几面相对放置的镜子里经过多次反射呈现出来的景象，便放了一些花纸在镜子组成的空腔里，结果，他看到了一些对称的图案，而且每变动一下花纸的位置，图案就会变换一次。

万花筒里的美丽图案

为了能使图案不断地变换，他将三面成角度的镜子放在一个圆筒里，再将花纸放在筒端的两层玻璃间。随着三角镜中镜子的角度变化，影像的数目也随之变化；影像重叠后形成各种图案，不停地转动万花筒就可以看到不断变换的图案。就这样他制作出了只要轻轻转动就能看到不同图案的万花筒。万花筒在一夜之间便获得了意外的成功，这个一动就能产生美妙图案的小东西，算得上是当时的“电视机”了。

万花筒的图案是利用什么原理的呢？原来是靠玻璃镜子反射而形成的。它是由三面玻璃镜子组成一个三棱镜，筒中的彩色碎屑经过三个平面镜的多次反射就形成了美丽的图案。在旋转万花筒时，再在一头放上一些各色玻璃碎片，碎屑的排列发生变化，就形成了不同的花型。这些碎片经过三面玻璃镜子的反射，形成无数的碎屑虚像，就会出现对称的图案，看上去就像一朵朵盛开的花。

万花筒的原理在于光的反射，而镜子就是利用光的反射来成像的，这种成像原理我国远古时代的人们就已掌握。古书《庄子》里就有“鉴止于水”的说法，即用静止的水当镜子。我国民间也很早就有了这种玩具，而且有创新，生产出了许多新型的万花筒。

万花筒的结构与奥秘

万花筒的奥秘就蕴藏在它设计精妙的镜体结构和流动图案当中。

“美丽”，当然就是指万花筒里瞬息万变的景色，也是万花筒的“芯”（观赏的标的物），这也是万花筒制作艺术家最下工夫的地方。而且，在创作过程当中，“芯”的选择阶段是最能体会制作万花筒的乐趣的时候。“芯”的素材非常广泛，例如彩色玻璃、宝石、鸟的羽毛、干花等等，凡是能够想到的任何物品，都可以用来作为万花筒的美丽图案。

据万花筒制作专家的介绍，“芯”的部分有很多类型。比如把两片风车状的轮子组合在一起，通过旋转轮子而形成各种各样的图案，或者在前端装上玻璃球，并旋转它来观赏身边任何一种景物，都能获得一种前所未有的新鲜构图。而在前端部分填充进各种颜色的油的组合，并通过油的流动产生不可思议的图案。

“形状”，主要是指万花筒的镜体结构，有二镜、三镜、四镜、锥形、旋转等多种结构，让我们看到的景象，不光有圆的甜美、多边形的嬗变，更有烟花般的魅力四射。

由于当年万花筒被列入科学重大发明而载入史册，因此，我们在博物馆里也可以看到收藏着的制作精美的万花筒。由于万花筒既是美轮美奂的艺术作品，又是能培养思维和观察能力的益智玩具，所以深受小孩子和成年人的喜爱，并在人们的手中不断地翻新花样。例如，有人在万花筒里放上30～40个像教堂塔尖一样的玻璃小瓶，里面装上油，在油里浸着玻璃粒、珊瑚细片、贝壳和沙粒。这些密封的小玻璃瓶一动，瓶里那些闪闪发光的微粒就会升降。除了这些东西以外，还放入扎紧的细丝线、马鬃以及各种螺旋形的、弯曲的小东西。这样，万花筒转动起来，使人们就好像在欣赏一场精彩的芭蕾舞表演。

七、极光的形成原因

在地球南、北两极附近的高空，夜间常会出现一种奇异的光，这就是美丽的极光。在世界上简直找不出两个雷同的极光形体来，从科学研究的角度，人们将极光按其形态特征分成五种：一是底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光孤；二是有弯扭折皱的飘带状的极光带；三是如云朵一般的片朵状的极光片；四是面纱一样均匀的帐幔状的极光幔；五是沿磁力线方向的射线状的极光芒。

极光形体的亮度变化也是很大的，从刚刚能看得见的银河星云般的亮度，一直亮到如满月时的月亮亮度。在强极光出现时，地面上物体的轮廓都能被照见，甚至会照出物体的影子来。

最为动人的当然是极光运动所造成的瞬息万变的奇妙景象。极光有时出现时间极短，犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪；有时却可以在苍穹之中辉映几个小时。我们形容事物变得快时常说：“眼睛一眨，老母鸡变鸭。”极光可真是这样，翻手为云，覆手为雨，变化莫测，而这一切变化又往往发生在几秒钟或数分钟之内。极光的运动变化，是自然界这个魔术大师，以天空为舞台上演的一出光的表演，上下纵横成百上千千米，甚至还存在近万千米长的极光带。

色彩绚丽的极光

令人叹为观止的则是极光的色彩，早已不能用五颜六色去描绘，简直可以说是色彩斑斓。说到底，本色不外乎是红、绿、紫、蓝、白、黄，可是大自然这一超级画家用出神入化的手法，将深浅浓淡、隐显明暗一搭配、一组合，一下子变成了万花筒。根据不完全的统计，目前能分辨清楚的极光色调已达160余种。

许多世纪以来，极光一直是人们猜测和探索的天象之谜。从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。13世纪时，人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。到了17世纪，人们才称它为北极曙光（在南极所见到的同样的光称为南极光）。

18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。

产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在已知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮等原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。例如氧被激发后发出绿光和红光，氮被激发后发出紫色的光，氩被激发后发出蓝色的光。因此极光就显得如此绚丽多彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。目前，造成极光动态变化的机制尚示完全明了。

那么，为什么极光并非在地球上任何地方都能看见呢？科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线型”。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似彗尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的耦合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具“冻结”磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发)，常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动。从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发退激而发光。不同的分子、原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。

极光指常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中彩色发光现象，是来自太阳活动区的带电高能粒子流（可达1万电子伏）使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。由于地磁场的作用，这些高能粒子转向极区，所以极光常见于高磁纬地区。在大约离磁极25～30度的范围内常出现极光，这个区域称为极光区。在地磁纬度45～60度之间的区域称为弱极光区，地磁维度低于45度的区域称为微极光区。极光下边界的高度，离地面不到100千米左右。正常的最高边界为300千米左右，在极端情况下可达1000千米以上。根据近年来关于极光分布情况的研究，极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环状，而是更像卵形。极光的光谱线范围约为3100～6700埃，其中最重要的谱线是5577埃的氧原子绿线，称为极光绿线。早在2000多年前，中国就开始观测极光，有着丰富的极光记录。

太阳风

极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与同时段中全世界各国发电厂所产生电功率的总和相比。2007年一次地磁动记录显示，其释放出来的能量达到5×10¹⁴焦耳，相当于5.5级地震所释放的能量。这种能量常常扰乱无线电和雷达的信号。极光所产生的强力电流，也可以集结于长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。

极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但由于往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。而这次极光现象早被远在160千米高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375千米提高到每秒600千米，一小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。

极光不仅是个光学现象，而且是个无线电现象，可以用雷达进行探测研究，它还会辐射出某些无线电波。有人还说，极光能发出各种各样的声音。极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信、长途电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。极光还可以影响到气候，影响生物学过程等许多方面。

如果我们乘着宇宙飞船，越过地球的南北极上空，从遥远的太空向地球望去，会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环，这个环就叫做极光卵。由于它们向太阳的一边有点被压扁，而背太阳的一边却稍稍被拉伸，因而呈现出卵一样的形状。极光卵处在连续不断的变化之中，时明时暗，时而向赤道方向伸展，时而又向极点方向收缩。处在午夜部分的光环显得最宽最明亮。长期观测统计结果表明，极光也是很爱“挑剔”“出场地”的。极光最经常出现的地方是在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内，分别称作南极光区和北极光区。在极光区内差不多每天都会出现极光的身影。在极光卵所包围的内部区域，通常叫做极盖区，在该区域内，极光光顾的机会反而要比纬度较低的极光区来得少。在中低纬地区，尤其是近赤道区域，极光很少露面，但并不是说压根儿观测不到极光。即便这类极光出现，它也往往与特大的太阳耀斑暴发和强烈的地磁暴有关。

此外，极光又是为何发出声音的呢？我们还没有得到答案。我们不得不佩服大自然的鬼斧神工。目前我们对极光的研究还没有能够彻底解开极光的奥秘，不过相信终有一天这些迷雾将会烟消云散。

八、佛光的奥秘

夏天和初冬的午后，峨嵋山摄身岩下云层中骤然幻化出一个红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色光环，中央虚明如镜。观察者背向偏西的阳光，有时会发现光环中出现自己的身影，举手投足，影皆随形，非常奇怪，即使成千上百人同时同址观看，观察者也只能看到自己的影像，看不到别人的身影。

人们把这种现象称作峨眉宝光，又称佛光。那么，这个看上去带有神秘色彩的有趣现象到底是怎么产生的呢？其中的奥秘又是什么呢？

佛光是一种非常特殊的自然物理现象，其本质是太阳自观赏者的身后，将人影投射到观赏者面前的云彩之上，云彩中的细小冰晶与水滴形成独特的圆圈形彩虹，人影正在其中。佛光的出现，原则上要阳光、地形和云海等众多自然因素的结合，只有在极少数具备了以上条件的地方才可欣赏到。峨嵋山摄身岩就是一个得天独厚的观赏场所。19世纪初，科学界便把这种难得的自然现象命名为“峨嵋宝光”。在金顶的摄身岩前，这种自然现象并非十分罕见，据统计，平均每五天左右就有可能出现一次便于观赏佛光的天气条件，其时间一般在午后3：00～4：00之间。

佛光

“佛光”在我国的峨眉山金顶最为多见，因为峨眉山的气象条件最容易产生佛光，所以气象学上索性将佛光现象称之为“峨眉光”；泰山岱顶碧霞祠一带，也经常出现佛光，当地人称为“碧霞宝光”。

“佛光”发生在白天，产生的条件是太阳光、云雾和特殊的地形。早晨太阳从东方升起，佛光在西边出现，上午“佛光”均在西方；下午，太阳移到西边，佛光则出现在东边；中午，太阳垂直照射，则没有佛光。只有当太阳、人体与云雾处在一条倾斜的直线上时，才能产生佛光。它是太阳光与云雾中的水滴经过衍射作用而产生的。如果观看处是一个孤立的制高点，那么在相同的条件下，佛光出现的次数要多些。

“佛光”由外到里，按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的次序排列，直径约2米。有时阳光强烈，云雾浓且弥漫较宽时，则会在小佛光外面形成一个同心大半圆佛光，直径达20～80米，虽然色彩不明显，但光环却分外明显。”

“佛光”中的人影，是太阳光照射人体在云层上的投影。观看“佛光”的人举手、挥手，人影也会举手、挥手。

“佛光”出现时间的长短，取决于阳光是否被云雾遮盖和云雾是否稳定，如果出现浮云蔽日或云雾流走，“佛光”就会消失。一般“佛光”出现的时间为半小时至一小时。而云雾的流动，促使佛光改变位置；阳光的强弱，使“佛光”时有时无。“佛光”彩环的大小则同水滴雾珠的大小有关：水滴越小，环越大；反之，环越小。

随着科学的发展，人们对佛光现象的了解加深，登峨眉山、泰山、黄山等观看佛光，已不是为了祈求神灵的福佑，而是同登山观日出一样，从中得到自然美的享受。

九、虹的形成原因

每当下过雨，天空放晴，太阳出来的时候，就会有一条美丽的彩虹挂在空中；夜晚大雨过后，月亮出来的时候，我们在天空中也可以看到美丽的虹，这种虹叫做月虹，无论是白天的彩虹，还是在夜间出现的月虹，都会引起了无数人的遐想，但是，虹的形成原因到底是怎么回事呢？它所遵循的物理原理是什么呢？

虹是因为阳光或月光射到空中接近圆形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光或月光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40~42度的反射最为强烈，造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色依次在下面排列。

其实只要空气中有水滴，而阳光或月光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午雨后刚转天晴时的天空中出现。这时空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光或月光，这样彩虹便会较容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的天气下背对阳光或月光在空中洒水或喷洒水雾，也可以人工制造彩虹。

空气里水滴的大小决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴越大，虹就越鲜艳，也比较窄；反之，水滴越小，虹色就越淡，也比较宽。我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背着太阳才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的彩虹总在东方出现。可我们在地面看不见，只有乘飞机从高空向下看，才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系，一般我们从虹出现在天空中的位置可以推测当将出现晴天或雨天的可能性。东方出现虹时，本地是不大容易下雨的，而西方出现虹时，本地下雨的可能性却很大。

一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下阵雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。

雨后天空中出现的主虹和副虹

彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象，彩虹看起来的所在位置，会随着观察者所处位置而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射显放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，刚好是观察者头部影子的方向，虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40~42度的位置。因此当太阳在空中高于42度时，彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这也是为什么彩虹很少在中午出现的原因。

彩虹由一端至另一端，横跨84度。以一般的35毫米照相机，需要焦距为19毫米以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上，会看见彩虹是完整的圆形而不是拱形，而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。

晚虹也叫月虹，是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，因此晚虹看起来好像是全白色。

很多时候会有两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光或月光在水滴中经两次反射而成。当阳光或月光经过水滴时，它会被折射、反射后再折射出来。在水滴内经过一次反射的光线，便形成我们常见的彩虹（主虹）。若光线在水滴内进行了两次反射，便会产生第二道彩虹（霓）。霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较弱。两次反射最强烈的反射角出现在50~53度，所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹相反，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，

所以有时不被肉眼察觉而已。1307年时欧洲已有人提出彩虹是由水滴对阳光或月光的折射及反射而造成。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验，得出水对光的折射指数，用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成，而副虹则是两次反射造成。他准确计算出彩虹的角度，但未能解释彩虹的七彩颜色。后来牛顿以玻璃菱镜展示把太阳光或月光散射成彩色的现象之后，关于彩虹的形成的光学原理才全部被发现。

天空中的虹把大自然装扮得如此美丽动人，这将更加激励我们去更深入地探索这魅力无穷、充满奥妙的大自然。

十、海市蜃楼的形成原因

在平静无风的海面航行或在海边瞭望，往往会看到空中映现出远方船舶、岛屿或城郭楼台的影像；在沙漠旅行的人有时也会突然发现，在遥远的沙漠里有一片湖水，湖畔树影摇曳，令人向往。可是当大风一起，这些景象突然消逝了。原来这是一种幻景，通称海市蜃楼，或简称蜃景。

它一般出现在平静的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等地方，偶尔会在空中或“地下”出现高大楼台、城郭、树木等出现海市蜃楼的美景。我国山东蓬莱海面上经常出现这种幻景，古人归因于蛟龙之属的蜃，吐气而成楼台城郭，因而得名。

沙漠里的海市蜃楼奇观

蜃景不仅能在海上、沙漠中产生，柏油马路上偶尔也会看到。海市蜃楼是光线在铅直方向密度不同的气层中，经过折射造成的结果。蜃景的种类很多，根据它出现的位置相对于原物的方位，可以分为上蜃、下蜃和侧蜃；根据它与原物的对称关系，可以分为正蜃、侧蜃、顺蜃和反蜃；根据颜色可以分为彩色蜃景和非彩色蜃景等等。

蜃景有两个特点：一是在同一地点重复出现，比如美国的阿拉斯加上空经常会出现蜃景；二是出现的时间一定，比如我国蓬莱的蜃景大多出现在每年的五、六月份，俄罗斯齐姆连斯克附近蜃景往往是在春天出现，而美国阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以后的20天内出现。

蜃景自古以来就为世人所关注。在西方神话中，蜃景被描绘成魔鬼的化身，是死亡和不幸的凶兆。我国古代则把蜃景看成是仙境，秦始皇、汉武帝曾率人前往经常出现蜃景的蓬莱寻访仙境，还屡次派人去蓬莱寻求灵丹妙药。

史书记载《史记·封禅书》：“自威、宣、燕昭，使人入海求蓬莱、方丈、瀛洲。此三神山者，其传在勃海中，去人不远，患且至，则船风引而去。盖尝有至者，诸仙人及不死之药在焉，其物禽兽尽白，而黄金白银为宫阙。未至，望之如云；及到，三神山反居水下；临之，风辄引去，终莫能至。”

宋朝沈括在《梦溪笔谈》中这样写道：“登州海中，时有云气，如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖，历历可见，谓之‘海市’。或日“蛟蜃之气所为”，疑不然也。欧阳文忠曾出使河朔，过高唐县，驿舍中夜有鬼神自空中过，车马人畜之声一一可辨，其说甚详，此不具纪。问本处父老，云：‘二十年前尝昼过县，亦历历见人物。’土人亦谓之‘海市’，与登州所见大略相类也。”

南宋遗民人林景熙的《蜃说》，全文一百多字，是描写海市蜃楼最好的一篇散文。

现代科学已经对大多数蜃景作出了正确解释，认为蜃景是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像，所谓蜃景就是光学幻景。

蜃景的形成与地理位置、地球物理条件以及那些地方在特定时间的气象特点有密切联系。气温的反常分布是大多数蜃景形成的气象条件。

上现蜃景示意图

海市蜃楼是一种光学幻景，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。根据物理学原理，海市蜃楼是由于不同的空气层有不同的密度，而光在不同的密度的空气中又有着不同的折射率。也就是因海面上暖空气与高空中冷空气之间的密度不同，对光线折射而产生的。蜃景与地理位置、地球物理条件以及那些地方在特定时间的气象特点有密切联系。气温的反常分布是大多数蜃景形成的气象条件。

那么，海市蜃楼到底是怎么形成的呢？

我们先从光的折射谈起，再逐步的解释产生海市蜃楼的原因。

下现蜃景示意图

当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候，光的速度不变，它以直线的方向前进，可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，行进的方向发生曲折，这种现象叫做折射。当你用一根直杆倾斜地插入水中时，可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好像折断的一般，这就是光线折射所成的，有人曾利用装置，使光线从水里投射到水和空气的交界面上，就可以看到光线在这个交界面上分两部分：一部分反射到水里，一部分折射到空气中去。如果转动水中的那面镜子，使投向交界面的光线更倾斜一些，那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些。当投向交界面的光线全部反射到水里时，就再没有折射到空气中去的光线了。这样的现象叫做全反射。

空气本身并不是一个均匀的介质，在一般情况下，它的密度是随高度的增大而递减的，高度越高，密度越小。当光线穿过不同高度的空气层时，总会发生一些折射，但这种折射现象在我们日常生活中已经习惯了，所以不觉得有什么异样。

可是当空气温度在垂直方向上变化的反常，会导致与通常不同的折射和全反射，这就会产生海市蜃楼的现象。由于空气密度反常的具体情况不同，海市蜃楼出现的形式也不同。

在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经的海面，水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暖的反常现象（正常情况是下暖上凉，平均每升高100米，气温降低摄氏0.6度左右）。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。

假使在我们的东方地平线下有一艘轮船，一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自船舶的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的轮船映像比实物是抬高了许多，所以叫做上现蜃景。

我国渤海中有个庙岛群岛，在夏季，白昼海水温度较低，空气密度会出现显著的下密上稀的差异，在渤海南岸的蓬莱县（古时又叫登州），常可看到庙岛群岛的幻影。

1933年５月22日上午11点多钟，青岛前海（胶州湾外口）竹岔岛上也曾发现过上现蜃景，一时轰传全市，很多人前往观看。1975年在广东省附近的海面上，曾出现一次延续６小时的上现蜃景。

不但夏季在海面上可以看到上现蜃景，在江面有时也可看到，例如1934年８月２日在南通附近的江面上就出现过。那天酷日当空，天气特别热，午后，人们突然发现长江上空映现出楼台城郭和树木房屋，全部蜃景长10多千米，约半小时后，向东移动，突然消逝。后又出现三山，高耸入云，中间一山，很像香炉；又隔了半小时，才全部消失。

在沙漠里，白天沙石被太阳晒得灼热，接近沙层的气温升高极快。由于空气不善于传热，所以在无风的时候，空气上下层间的热量交换极小，遂使下热上冷的气温垂直差异非常显著，并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的一块地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层，会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来。这样，经过一条向下向下凹陷的弯曲光线，把树的影像送到人的眼中，就出现了一棵树的倒影。由于倒影位于实物的下面，因此又叫下现蜃景。

这种倒影很容易给予人们以水边树影的幻觉，以为远处一定是一个湖。凡是曾在沙漠旅行过的人，大都有类似的经历。拍摄影片《登上希夏邦马峰》的一位摄影师，行走在一片广阔的干枯草原上时，也曾看见这样一个下现蜃景，他朝蜃景的方向跑去，想汲水煮饭。等他跑到那里一看，什么水源也没有，才发现是上了蜃景的当。这是因为干枯的草和沙子一样，可以被烈日晒得热浪滚滚，使空气层的密度从下至上逐渐增大，因而产生下现蜃景。