序幕：光之百態——成就奧特曼的“百”種方式

“你可曾想過，奧特曼身上那股光，不只是英雄的象征，更是一種能量的化身？如果普通人也能掌握這道光，會變成怎樣的奧特曼？”

想象這樣一個場景：

你站在黑暗中，胸口閃過一道金色的光柱，身體被一陣溫暖環繞——這不僅僅是劇中的場景，而是 光 在你身上化作力量的瞬間。

奧特曼的光來自哪里？我們能否在現實中，以不同的方式“召喚”這種光？

從燃燒的火焰到深海的螢火蟲，從激光劍到細胞熒光——這些看似毫不相干的發光現象，究竟有何共同秘密？

以下內容，就是帶你成為奧特曼的“百”種方式——

第一章：最簡單的方式——熱

最早的人類認識到火可以照亮夜晚，那是光的熱輻射在起作用。只要把一個東西燒得足夠熱，它就會發光。這叫黑體輻射，是所有溫度高于絕對零度的物體都會產生的現象。

太陽其實是個超大的“熱球”，它以約5500攝氏度的表面溫度輻射出可見光和大量不可見光。

白熾燈則是用電流加熱鎢絲，讓它燒得發白而發光，效率低但原理簡單。

第二章：不那么熱，但也能發光——電和氣體的魔法

霓虹燈、熒光燈、極光，都靠氣體放電發光：高壓電場中，電子像子彈一樣撞擊稀薄氣體原子，把它們激發到高能態，然后原子“冷靜”下來時釋放光子，形成五彩光芒。

光子能量關系

原子內部電子從高能級回落到低能級時，釋放出的光子能量正是兩者能級差。不同原子或分子的能級差決定了所發光的顏色，為光譜分析提供了定量工具。

帕邢定律 (Paschen 定律)

它給出了在氣壓 p 與電極間距 d 已知時，實現氣體擊穿放電所需的最小電壓 V。這可以幫助工程師設計高壓放電設備（如熒光燈管），優化管內壓力和長度以實現最低點火電壓。

「熱輻射雖簡單，卻耗能驚人；氣體放電省熱卻又需高壓。有沒有更“省心”又高效的發光方法？讓我們走進LED的世界。」

第三章：發光不靠溫度——固體與化學的新玩法

熱不再是發光的唯一方式。20世紀以來，人類學會用更聰明的方法制造光：

1. LED——用半導體制造光

LED燈泡比白熾燈高效得多。它的工作原理叫電致發光：當電流通過半導體時，電子和空穴在晶體結構中相遇、結合，并以光的形式釋放能量。

每種材料發出的光顏色不同，這取決于能帶之間的能量差。

2. OLED 和顯示技術

現代手機屏幕里，有機材料被電激發發光，我們叫它有機電致發光（OLED）。這類發光可以做得很薄很柔軟，是顯示技術的革命。

能帶理論與光子能量

其中 Eg 是半導體帶隙。材料帶隙大，發出高能短波光（藍、紫）；帶隙小，發出長波光（紅、紅外）。通過選用不同合金成分（如InGaN、AlGaAs）可以精準設計LED發光顏色。

「LED以固態材料“編碼”了光的顏色，那自然界下的“自發”發光如何實現？下一節，讓我們用光來激發光：光致發光的世界。」

第四章：光不需要電，也不需要熱——光、化學和生物的合作

1. 讓光激發光

光致發光好比“燈下看粉筆字”：

紫外線一照射到熒光粉上，它立刻發出明亮的可見光。當光照射一些原子時，光的能量使原子核周圍的一些電子從基態躍遷到第一激發態單線態或第二激發態單線態。第一激發態單線態或第二激發態單線態不穩定，當電子恢復到基態時，能量會以光的形式釋放出來，從而產生熒光。

常見的例子是物質吸收紫外光，發出可見光波段的熒光。我們生活中的熒光燈就是基于這個原理。涂在燈管上的熒光粉吸收燈管內汞蒸氣發出的紫外光，然后熒光粉發出可見光，人眼可見。

磷光是一種緩慢發光現象。當某常溫物質被一定波長的入射光（通常為紫外線或X射線）照射時，吸收光能進入激發態（通常自旋重數與基態不同），然后緩慢去激發并發出比入射光波長更長的出射光（通常波長在可見光波段）。磷光的去激發過程被量子力學的躍遷選擇規則所禁止，所以這個過程非常緩慢。

所謂“黑暗中發光”的材料通常是磷光材料，比如夜明珠。

2. 化學發光：無電也無熱，只要反應

在犯罪現場，你可能聽說過魯米諾檢測血跡，那就是一種化學發光。主要涉及兩系列反應：

其一，過氧化氫在血紅蛋白中的鐵元素的催化下，分解生成氧氣；

其二，魯米諾與堿性溶液中的氫氧根離子反應生成雙負離子，后被氧氣氧化生成不穩定的過氧化物，在分解出氮氣后生成激發態的3-氨基鄰苯二甲酸，激發態至基態轉化中，釋放的能量以光子的形式存在，波長位于可見光的藍光部分。

圖源：https://b23.tv/Mllo4y8

3. 生物發光：自然界的點燈藝術家

在黑夜里，螢火蟲微微閃爍，深海魚幽藍發光，這些生物都有一套“化學發光 + 酶催化”的“自帶電源”，無需電網，只要體內有熒光素和氧氣，就能點亮夜空。它們就是地球上真正會自己“點燈”的生物。

第五章：當光子碰到量子——高能與神奇的發光方式

進入高能物理與量子物理領域，我們發現更酷的光源：

1. 激光（Laser）

利用受激輻射原理制造出的相干光束，是現代科技的核心之一：

從激光筆到激光手術刀。它的發光“整齊劃一”，不像太陽光那樣雜亂，是光子們“排好隊一起發光”的代表。

為什么激光要“整齊”？粒子數反轉的秘密

激光的第一要訣是粒子數反轉（population inversion）。

普通光源里，高能態粒子比低能態少，光子自發發射后，很快被更多未激發粒子吸收。要讓“受激發射”占上風，需要：

高能級上的粒子數N2大于低能級上的粒子數N1。

問題在于：自發熱平衡時，N1 總大于 N2。

于是我們需要用泵浦（電光或化學）源源不斷把粒子送到 N2，直到高能態“坐滿人”——此時入射光子就能一路“喊話”同頻發射新光子，光強如同滾雪球。

三種躍遷，一個增益公式：愛因斯坦系數

愛因斯坦提出三種關鍵速率：

B12ρ讓粒子上樓（吸收光子）。

A21讓粒子自然下樓（自發發射光子）。

B21ρ讓粒子應邀下，甩出“同款”光子（受激發射）。

只有當 R受激>R吸收時，光在增益介質中才會被放大。它告訴我們：光的強度不僅靠泵浦分布，更靠諧振腔中留下的光子“二次邀請”新光子。

激光閾值：何時開始“放大”

諧振腔內回路增益必須克服損耗，才能自發振蕩：

Γ：光模式與增益區的重合度（想象“光的跑道”要剛好壓在增益區上）

gmax：最大增益系數，與B21和粒子反轉幅度 N2?N1 成正比

α：腔內一圈的總損耗（鏡面反射損耗、材料吸收等）

設計激光器時，通過提高泵浦功率（提升 N2）、優化鏡面反射率（降低 α）或改進諧振腔結構（增大 Γ），就能讓激光“更容易點亮、更穩定輸出”。

2. 切倫科夫輻射

切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）是介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射，其特征是藍色輝光。

反應堆池里的藍光、粒子探測器里的光電倍增管，都是基于這一現象。

為什么“跑得快”也會發光？

在真空中，光速是極限；但在水或玻璃里，光被材料“拖慢”到 /；如果帶電粒子的速度超過了這個“慢光速”，它會激起周圍介質，像船在水面上激起波浪那樣，形成光學“音爆”。

/ 是光在介質中的速度，如果粒子跑得更快，就會不斷“撞”到極化的分子，讓它們以光子的形式“騰空”回來。

這個閾值告訴我們：只有粒子能量足夠高，才能產生切倫科夫光，用來探測高能粒子。

光錐的形狀：發射角度揭秘

當“光波”從粒子身后甩出，它并非向四面，而是集中在一個角度 上，關系式是：

通過測量切倫科夫光錐的角度，探測器能反推出粒子的速度。這在大型粒子實驗和宇宙射線探測中至關重要。

強度分布：Frank–Tamm 公式的“小魔法”

你可能想知道：不同顏色的切倫科夫光，哪個更亮？答案藏在：

切倫科夫光譜在短波長（藍紫）區域更強，因為1/λ2增大；只有當nβ>1時，括號內才為正，才有光子產生。

這解釋了為什么我們看到的切倫科夫光是蔚藍的。

3. 同步輻射光源

同步輻射光是帶電粒子的運動速度接近光速（v≈c）在電磁場中偏轉時，沿運動的切線方向發出的一種電磁輻射。

同步輻射不僅亮度驚人，還極度準直：光束寬度只有微米級，便于聚焦與顯微成像。在材料科學里，研究者用它看納米顆粒的內部缺陷；在生命科學里，用它瞬時拍攝蛋白折疊、化學反應的超快過程。

第六章：其實很多光是“借來的”——反射、散射與折射

有時候，光不是被“創造”出來的，而是被“借”來的：

月亮只是“借”了太陽光；彩虹是陽光穿過雨滴后折射、反射和色散的結果。日常鏡面、透鏡、光纖工作，都離不開光的折射與反射規律。

這些不創造光子，但它們讓光改變路徑，讓我們“看見”了它們的存在。

謝幕：光的“終極本質”——自發躍遷與虛空的波動

“如果宇宙中什么都沒有，那光還會產生嗎？”

這個問題聽起來像是哲學，但它其實通往物理世界最深邃的角落。在這一章，我們將走進光的“出生地”，探索它從哪里來、又為何能從虛無中誕生，成為整個宇宙交流的語言。

1. 自發輻射：光，是如何“自己”冒出來的？

回憶一下：我們說過原子中的電子，如果吸收了外來的能量，就可以從低能級“跳”到高能級。但這個激發態不能永遠維持——電子會“掉下來”，釋放出一份能量。而這份能量，就是一個光子。

這就是所謂的 自發輻射（Spontaneous Emission）。

但問題是：誰讓電子突然“跳下來”的？

這就是最神奇的部分：即使在完全空無一物的空間中，電子也會掉下來，并發出光子。

——這意味著：哪怕沒有人“推”，光也會自己誕生。

為什么？

因為“空無一物”并不真的“空無一物”。

2. 真空不是空的：虛空的量子波動

我們以為的真空，是一個連空氣分子都沒有的地方。但在量子力學中，真空就像一鍋不停沸騰的湯——

里面充滿了虛粒子對的漲落、漲起、湮滅，盡管它們不能長久存在，卻能瞬間影響電子軌道、觸發躍遷、制造光子。

這種永不停歇的“底噪”，就叫做：

? 真空漲落（Vacuum Fluctuation）

是它，讓原子中“準備跳躍”的電子突然被推了一把，于是，一束光，就從什么都沒有的地方誕生了。

這不是假說，而是可觀測的現象：

原子鐘的精度受真空漲落影響；

量子計算中的“相干時間”也要考慮這些擾動；

甚至，黑洞信息悖論，也繞不開這鍋“虛空湯”。

3. 光子，本質是一種場的激發

回到我們一開始的問題：光到底是什么？

經典電磁學說，光是電場與磁場的交錯波動。
但量子場論（QFT）說，光子是電磁場的最小激發單位。也就是說：

只要電磁場存在，只要能級差存在，哪怕整個宇宙沒有物質，光依然可以從“虛空”里閃現。

這，就是場的本體論版本的“光”。

光，是信息，也是宇宙自己的呼吸

當我們一路探尋，從熱輻射到量子躍遷；從氣體放電到生物發光；從激光的相干部隊到切倫科夫的藍光漣漪；再回到鏡面與折射的日常映像，心中會漸漸明白：

光不是我們做出來的東西，它是宇宙自發說話的方式。

所以，下一次當你仰望星空，不妨這樣想：

你看到的每一束星光，都是一次宇宙與自身對話的回聲，它從虛無中誕生，跨越時空，最終落在你的視網膜上——告訴你，它曾經存在過。

所以——

下次當你打開手機屏幕、看一顆星、點亮夜燈……

請想一想：

你是否也在成為某種意義上的“奧特曼”？

參考文獻：

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki

[2] 魏子博.壓電半導體中多場耦合波傳播及PN結效應[D].北京科技大學,2025.

[3] https://www.csldhg.com/tech/301.html

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[5] Alaeian H. An introduction to cherenkov radiation[J]. Recuperado el, 2014, 26.

編輯：Meyare

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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