序幕：光之百態(tài)——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(huì)變成怎樣的奧特曼？”

想象這樣一個(gè)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(huán)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(xiàn)實(shí)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(xì)胞熒光——這些看似毫不相干的發(fā)光現(xiàn)象，究竟有何共同秘密？

以下內(nèi)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(rèn)識(shí)到火可以照亮夜晚，那是光的熱輻射在起作用。只要把一個(gè)東西燒得足夠熱，它就會(huì)發(fā)光。這叫黑體輻射，是所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象。

太陽其實(shí)是個(gè)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(fā)白而發(fā)光，效率低但原理簡單。

第二章：不那么熱，但也能發(fā)光——電和氣體的魔法

霓虹燈、熒光燈、極光，都靠氣體放電發(fā)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(fā)到高能態(tài)，然后原子“冷靜”下來時(shí)釋放光子，形成五彩光芒。

光子能量關(guān)系

原子內(nèi)部電子從高能級(jí)回落到低能級(jí)時(shí)，釋放出的光子能量正是兩者能級(jí)差。不同原子或分子的能級(jí)差決定了所發(fā)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(shí)，實(shí)現(xiàn)氣體擊穿放電所需的最小電壓 V。這可以幫助工程師設(shè)計(jì)高壓放電設(shè)備（如熒光燈管），優(yōu)化管內(nèi)壓力和長度以實(shí)現(xiàn)最低點(diǎn)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(fā)光方法？讓我們走進(jìn)LED的世界。」

第三章：發(fā)光不靠溫度——固體與化學(xué)的新玩法

熱不再是發(fā)光的唯一方式。20世紀(jì)以來，人類學(xué)會(huì)用更聰明的方法制造光：

1. LED——用半導(dǎo)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(fā)光：當(dāng)電流通過半導(dǎo)體時(shí)，電子和空穴在晶體結(jié)構(gòu)中相遇、結(jié)合，并以光的形式釋放能量。

每種材料發(fā)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(shù)

現(xiàn)代手機(jī)屏幕里，有機(jī)材料被電激發(fā)發(fā)光，我們叫它有機(jī)電致發(fā)光（OLED）。這類發(fā)光可以做得很薄很柔軟，是顯示技術(shù)的革命。

能帶理論與光子能量

其中 Eg 是半導(dǎo)體帶隙。材料帶隙大，發(fā)出高能短波光（藍(lán)、紫）；帶隙小，發(fā)出長波光（紅、紅外）。通過選用不同合金成分（如InGaN、AlGaAs）可以精準(zhǔn)設(shè)計(jì)LED發(fā)光顏色。

「LED以固態(tài)材料“編碼”了光的顏色，那自然界下的“自發(fā)”發(fā)光如何實(shí)現(xiàn)？下一節(jié)，讓我們用光來激發(fā)光：光致發(fā)光的世界。」

第四章：光不需要電，也不需要熱——光、化學(xué)和生物的合作

1. 讓光激發(fā)光

光致發(fā)光好比“燈下看粉筆字”：

紫外線一照射到熒光粉上，它立刻發(fā)出明亮的可見光。當(dāng)光照射一些原子時(shí)，光的能量使原子核周圍的一些電子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)單線態(tài)或第二激發(fā)態(tài)單線態(tài)。第一激發(fā)態(tài)單線態(tài)或第二激發(fā)態(tài)單線態(tài)不穩(wěn)定，當(dāng)電子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，能量會(huì)以光的形式釋放出來，從而產(chǎn)生熒光。

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

磷光是一種緩慢發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)某常溫物質(zhì)被一定波長的入射光（通常為紫外線或X射線）照射時(shí)，吸收光能進(jìn)入激發(fā)態(tài)（通常自旋重?cái)?shù)與基態(tài)不同），然后緩慢去激發(fā)并發(fā)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(fā)過程被量子力學(xué)的躍遷選擇規(guī)則所禁止，所以這個(gè)過程非常緩慢。

所謂“黑暗中發(fā)光”的材料通常是磷光材料，比如夜明珠。

2. 化學(xué)發(fā)光：無電也無熱，只要反應(yīng)

在犯罪現(xiàn)場，你可能聽說過魯米諾檢測血跡，那就是一種化學(xué)發(fā)光。主要涉及兩系列反應(yīng)：

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(yīng)生成雙負(fù)離子，后被氧氣氧化生成不穩(wěn)定的過氧化物，在分解出氮?dú)夂笊杉ぐl(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸，激發(fā)態(tài)至基態(tài)轉(zhuǎn)化中，釋放的能量以光子的形式存在，波長位于可見光的藍(lán)光部分。

圖源：https://b23.tv/Mllo4y8

3. 生物發(fā)光：自然界的點(diǎn)燈藝術(shù)家

在黑夜里，螢火蟲微微閃爍，深海魚幽藍(lán)發(fā)光，這些生物都有一套“化學(xué)發(fā)光 + 酶催化”的“自帶電源”，無需電網(wǎng)，只要體內(nèi)有熒光素和氧氣，就能點(diǎn)亮夜空。它們就是地球上真正會(huì)自己“點(diǎn)燈”的生物。

第五章：當(dāng)光子碰到量子——高能與神奇的發(fā)光方式

進(jìn)入高能物理與量子物理領(lǐng)域，我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)代科技的核心之一：

從激光筆到激光手術(shù)刀。它的發(fā)光“整齊劃一”，不像太陽光那樣雜亂，是光子們“排好隊(duì)一起發(fā)光”的代表。

為什么激光要“整齊”？粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的秘密

激光的第一要訣是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）。

普通光源里，高能態(tài)粒子比低能態(tài)少，光子自發(fā)發(fā)射后，很快被更多未激發(fā)粒子吸收。要讓“受激發(fā)射”占上風(fēng)，需要：

高能級(jí)上的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)上的粒子數(shù)N1。

問題在于：自發(fā)熱平衡時(shí)，N1 總大于 N2。

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

三種躍遷，一個(gè)增益公式：愛因斯坦系數(shù)

愛因斯坦提出三種關(guān)鍵速率：

B12ρ讓粒子上樓（吸收光子）。

A21讓粒子自然下樓（自發(fā)發(fā)射光子）。

B21ρ讓粒子應(yīng)邀下，甩出“同款”光子（受激發(fā)射）。

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

激光閾值：何時(shí)開始“放大”

諧振腔內(nèi)回路增益必須克服損耗，才能自發(fā)振蕩：

Γ：光模式與增益區(qū)的重合度（想象“光的跑道”要?jiǎng)偤脡涸谠鲆鎱^(qū)上）

gmax：最大增益系數(shù)，與B21和粒子反轉(zhuǎn)幅度 N2?N1 成正比

α：腔內(nèi)一圈的總損耗（鏡面反射損耗、材料吸收等）

設(shè)計(jì)激光器時(shí)，通過提高泵浦功率（提升 N2）、優(yōu)化鏡面反射率（降低 α）或改進(jìn)諧振腔結(jié)構(gòu)（增大 Γ），就能讓激光“更容易點(diǎn)亮、更穩(wěn)定輸出”。

2. 切倫科夫輻射

切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）是介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電荷速度超過該介質(zhì)中光速時(shí)發(fā)出的一種以短波長為主的電磁輻射，其特征是藍(lán)色輝光。

反應(yīng)堆池里的藍(lán)光、粒子探測器里的光電倍增管，都是基于這一現(xiàn)象。

為什么“跑得快”也會(huì)發(fā)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(gè)“慢光速”，它會(huì)激起周圍介質(zhì)，像船在水面上激起波浪那樣，形成光學(xué)“音爆”。

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

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

光錐的形狀：發(fā)射角度揭秘

當(dāng)“光波”從粒子身后甩出，它并非向四面，而是集中在一個(gè)角度 上，關(guān)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(shí)驗(yàn)和宇宙射線探測中至關(guān)重要。

強(qiáng)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(gè)更亮？答案藏在：

切倫科夫光譜在短波長（藍(lán)紫）區(qū)域更強(qiáng)，因?yàn)?/λ2增大；只有當(dāng)nβ>1時(shí)，括號(hào)內(nèi)才為正，才有光子產(chǎn)生。

這解釋了為什么我們看到的切倫科夫光是蔚藍(lán)的。

3. 同步輻射光源

同步輻射光是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度接近光速（v≈c）在電磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，沿運(yùn)動(dòng)的切線方向發(fā)出的一種電磁輻射。

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

第六章：其實(shí)很多光是“借來的”——反射、散射與折射

有時(shí)候，光不是被“創(chuàng)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(jié)果。日常鏡面、透鏡、光纖工作，都離不開光的折射與反射規(guī)律。

這些不創(chuàng)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(zhì)”——自發(fā)躍遷與虛空的波動(dòng)

“如果宇宙中什么都沒有，那光還會(huì)產(chǎn)生嗎？”

這個(gè)問題聽起來像是哲學(xué)，但它其實(shí)通往物理世界最深邃的角落。在這一章，我們將走進(jìn)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(gè)宇宙交流的語言。

1. 自發(fā)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(jí)“跳”到高能級(jí)。但這個(gè)激發(fā)態(tài)不能永遠(yuǎn)維持——電子會(huì)“掉下來”，釋放出一份能量。而這份能量，就是一個(gè)光子。

這就是所謂的 自發(fā)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(huì)掉下來，并發(fā)出光子。

——這意味著：哪怕沒有人“推”，光也會(huì)自己誕生。

為什么？

因?yàn)椤翱諢o一物”并不真的“空無一物”。

2. 真空不是空的：虛空的量子波動(dòng)

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

里面充滿了虛粒子對(duì)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(fā)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(zhǔn)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(xiàn)象：

原子鐘的精度受真空漲落影響；

量子計(jì)算中的“相干時(shí)間”也要考慮這些擾動(dòng)；

甚至，黑洞信息悖論，也繞不開這鍋“虛空湯”。

3. 光子，本質(zhì)是一種場的激發(fā)

回到我們一開始的問題：光到底是什么？

經(jīng)典電磁學(xué)說，光是電場與磁場的交錯(cuò)波動(dòng)。
但量子場論（QFT）說，光子是電磁場的最小激發(fā)單位。也就是說：

只要電磁場存在，只要能級(jí)差存在，哪怕整個(gè)宇宙沒有物質(zhì)，光依然可以從“虛空”里閃現(xiàn)。

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

光不是我們做出來的東西，它是宇宙自發(fā)說話的方式。

所以，下一次當(dāng)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(duì)話的回聲，它從虛無中誕生，跨越時(shí)空，最終落在你的視網(wǎng)膜上——告訴你，它曾經(jīng)存在過。

所以——

下次當(dāng)你打開手機(jī)屏幕、看一顆星、點(diǎn)亮夜燈……

請(qǐng)想一想：

你是否也在成為某種意義上的“奧特曼”？

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 魏子博.壓電半導(dǎo)體中多場耦合波傳播及PN結(jié)效應(yīng)[D].北京科技大學(xué),2025.

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

[4] Tryon E P. Is the universe a vacuum fluctuation?[J]. Nature, 1973, 246(5433): 396-397.

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

編輯：Meyare

本文轉(zhuǎn)載自《中科院物理所》微信公眾號(hào)

《物理》50年精選文章