地球/2c. 電磁輻射和黑體輻射
在 1891-92 學年，一位名叫 亨麗埃塔·勒維特 的年輕女性參加了一門天文學課程，這改變了她的一生。她在課堂上對星星產生了濃厚的興趣。這門課程是由於哈佛附件的 女子大學教育協會 才能開設，而且當時女性不允許進入主要的 哈佛大學 學習。在畢業那年，勒維特對課程產生了興趣，並且渴望以全職職業來研究星星。在課程結束後，甚至在大學畢業後，她都開始在 哈佛大學天文臺 做志願者，整理用大學的新型高倍望遠鏡拍攝的星星照片。研究人員利用這些照片對星星進行編目，記錄它們的顏色和亮度。
天文學家對測量地球到這些夜空中觀測到的星星的距離非常感興趣。多年來，科學家透過測量一種叫做視差的東西來確定月球和太陽的距離。視差 是指從不同的觀察位置觀察物體時，物體的位置看起來不同的現象。例如，閉上一隻眼睛，舉起你的拇指，用拇指對準遠處的一個物體。如果你換眼，你會注意到遠處的物體相對於你的拇指跳到了另一個位置。使用一些基本的數學，你可以計算出物體離你的距離，因為物體越近，它根據你的觀察點位置變化的位置就越大。然而，當距離非常遠時，地球上不同觀察點位置的差異相對於物體距離來說太小了，無法測量。星星距離地球太遠，無法測量地球到星星的實際距離，科學家渴望瞭解宇宙的大小和維度。
亨麗埃塔·勒維特 發現測量這些恆星距離的工具的旅程漫長而艱辛。雖然她開始著手撰寫一份關於她觀察結果的報告，但她被歐洲旅行和搬到威斯康星州打斷了，在那裡，她沒有教科學，而是到 貝洛伊特學院 教藝術。她在威斯康星州的經歷和寒冷的氣候使她病得很重，失去了聽力。她因病終生失聰，寫信給哈佛大學，希望在那裡獲得工作，幫助整理和研究星星的照片，這仍然是她感興趣的事情。她回到自己的工作崗位，並取得了重大發現。
天文學家透過測量一顆星星的亮度來測量它的視星等。遠處的巨大恆星與較近的較小恆星的亮度相同，因為無法確定星星的距離並確定一顆星星的絕對星等。星星的視星等是透過天文臺望遠鏡拍攝的照片來測量的，但亨麗埃塔·勒維特在她編目的 1,777 顆星星中觀察到一種奇怪的關係，她觀察了位於小型 麥哲倫星雲 中的 25 顆恆星，這些恆星被認為與地球的距離大致相同。這些星星在一個星團中，彼此靠近。此外，這 25 顆恆星被認定為 造父變星，它們是亮度會在幾天到幾周的時間內脈動變化的恆星。
亨麗埃塔·勒維特仔細測量了這些星星的亮度，持續了幾周，並確定了亮度脈動的週期性，發現星星越亮，它亮度脈動的週期性就越長。由於這些星星距離地球大致相同，這種關係表明了一種方法，透過觀察亮度脈動的週期性來判斷一顆星星距離地球的距離。如果兩顆星星的亮度相同，但一顆星星的亮度脈動週期性更長，那麼亮度脈動週期性更短的星星就更近。因此，亨麗埃塔·勒維特發現了一個測量宇宙的標尺。她在 1912 年發表了她的發現，在一篇簡短的 3 頁論文中，她向她的主管 愛德華·皮克林 口述了這篇論文。她的發現後來變得十分重要，但首先，你應該瞭解光的真實本質。
什麼是光？對於藝術家來說，光是一種觀察的遊戲，因為沒有光，就無法看到，只有黑暗。歷史上，光被認為是一種思維的產物，是你如何用眼睛觀察周圍環境的，但幾個世紀的實驗表明，光是由能量從外部釋放到周圍環境中而產生的。一個很好的比喻是想象一個球在滾動上坡和下坡。利用諾特定理，我們可以推測這個球在山頂位置和山底位置之間振盪，在山頂位置，能量以勢能的形式儲存，而在山底位置，能量以動能的形式釋放，導致球滾過下一個山丘。由於它以光速傳播，因此該球在滾過下一個山丘時不會因熵而損失能量。
這種運動的無質量球被稱為光子，山丘之間的距離被稱為波長。因此，光可以被看作是粒子又是波。山丘或波長可以垂直、水平或對角地以任何方向相對於光子的運動路徑進行排列。偏振光是指排列方向限制在一個方向上的光。
如果您曾經在電影院觀看過現代 3D 電影，電影製作人會使用 偏振鏡 在 3D 眼鏡中同時投射兩組影像，右眼的光線朝一個方向定向，而左眼的光線朝另一個方向定向（通常是垂直的）。因此，模糊的電影影像可以被分解成兩張獨立的影像，分別對應兩隻眼睛，同時呈現，製造出立體感的錯覺。如果您將 3D 眼鏡中的兩個鏡片剪下來，您可以將它們垂直放置，這樣其中一個鏡片只允許垂直方向的光波透過，而另一個鏡片只允許水平方向的光波透過，從而導致黑暗。
這被稱為 **交叉極化**，因為沒有光線能夠穿過。 但是，您可以在 偏振光 的兩個鏡片之間放置一個晶體或鏡片，它可以以不同的方向彎曲或反射光線，這樣做將允許一些光波在兩個鏡片之間彎曲或改變方向，從而允許光線穿過之前的黑色鏡片，這被稱為 **雙折射**。 雙折射是材料的一種光學性質，它具有依賴於光線偏振和傳播方向的折射率。 它是晶體學中的一個重要原理，並且導致了 液晶顯示器 (LCD) 平板電視顯示器的突破，這些顯示器被廣泛地懸掛在世界各地體育酒吧、機場和客廳的牆壁上。 不同的電壓可以施加到每個液晶層，代表螢幕上的單個畫素。 此電壓會改變晶體的雙折射，允許光線穿過之前阻擋光線的頂部偏振鏡。 可以使用彩色濾光片新增顏色。 因此，如果您正在電子 LCD 上閱讀這些文字，那麼這很可能是由於這種 偏振光 方向的彎曲才使得您能夠做到這一點。
光的波長和顏色
[edit | edit source]
光子粒子以光速或接近光速的最大速度傳播，但可以具有不同的能量，這取決於波長的距離。 在緊密間隔的陡峭山丘上反彈的光子具有比在距離較遠、坡度較緩的山丘上反彈的光子更多的能量。 使用這個類比，光既表現為粒子，又表現為波。 這一點首先由 托馬斯·楊 （這位翻譯了埃及象形文字、創造了“能量”一詞的多面手）在 1801 年證實，他在一張紙上開出兩個狹縫，讓光線穿過它們，結果在螢幕上顯示出奇怪的圖案，因為光波彼此相互作用，導致投射到螢幕上的光出現干涉圖案。 類似於當兩塊石頭被丟入水中時，在水池中看到的波紋。 這種干涉是由兩束光波相互交叉造成的。
正常陽光看起來是白色的，但實際上是由不同波長傳播的光的混合物，淺紫色光以最短的波長傳播，平均波長為 400 奈米（1 奈米 = 0.000000001 米或 1x10-9 米），而深紅色光以最長的波長傳播，平均波長為 700 奈米。 可見光譜中顏色順序的助記符 ROY G. BIV 是一個有用的助記符，用於從最長波長到最短波長的顏色順序。 紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍色、紫色，其中紅色具有最長的波長，因此能量最小，而紫色（或紫色）具有最短的波長，因此能量最大。 光可以沿高於和低於這些值的波長傳播，這種特殊的光被稱為 **電磁輻射**，它指的是整個光譜中可見光和不可見光。
正常陽光看起來是白色的，但實際上是由不同波長傳播的光的混合物，淺紫色光以最短的波長傳播，平均波長為 400 奈米（1 奈米 = 0.000000001 米或 1x10-9 米），而深紅色光以最長的波長傳播，平均波長為 700 奈米。 可見光譜中顏色順序的助記符 ROY G. BIV 是一個有用的助記符，用於從最長波長到最短波長的顏色順序。 紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍色、紫色，其中紅色具有最長的波長，因此能量最小，而紫色（或紫色）具有最短的波長，因此能量最大。 光可以沿高於和低於這些值的波長傳播，這種特殊的光被稱為 **電磁輻射**，它指的是整個光譜中可見光和不可見光。
陽光
[edit | edit source]陽光包含可見光和不可見光，因此科學家將這種能量稱為 **太陽的電磁輻射**。 **紅外線** 光是指波長比可見光更長的光，而 **紫外線** 光是指波長比可見光更短的光。 紫外線（UV）光含有更多能量，長期暴露在紫外線下會導致曬傷，最終導致皮膚癌。 防曬霜會阻擋這種高能光線照射到皮膚，而 UV 防曬鏡會阻擋這種有害光線照射到眼睛，導致白內障。 低能紅外線在“夜視”鏡的開發中很重要，因為這些眼鏡會將低能紅外線轉移到可見光譜中。 這對於熱成像很有用，因為更熱的物體將顯示出比更冷的物體更短波長的紅外線。 電磁輻射頻譜中能量最高的電磁輻射是 **伽馬射線**。 這種波長非常短的電磁輻射是首先從太陽核心中核裂變中產生的光型別。 伽馬射線能量如此之高，以至於它們可以穿過固體物質。 雖然漫畫中經常將伽馬射線作為超能力的來源，但伽馬射線是最危險形式的電磁輻射，事實上，來自核聚變和核裂變的這種“輻射”導致了一種可以穿過材料的光形式，例如活的動植物的組織，並且在這樣做時會嚴重破壞這些生命形式中的分子，導致疾病和死亡。 稍微低一些，但仍然具有高度能量的電磁輻射是波長較短的 **X 射線**，它們也因其穿透物質的能力而聞名，醫生會使用它們來檢視你的骨頭。 X 射線也會損害活組織，長期暴露會導致癌症和活細胞損傷。 核輻射是伽馬射線和 X 射線兩種短波電磁輻射的總稱，它們可以穿過材料，只能被由高原子量原子組成的材料（如鉛）阻擋。 接下來是波長稍長的紫外線，然後是我們可以看到的 **可見光**，這是一個非常窄的光波帶。 在可見光下方是 **紅外線**，它是一種能量低於可見光的電磁輻射，由溫暖的物體發出。 令人驚訝的是，一些最長波長的電磁輻射是 **微波**，它們低於紅外線，波長介於 1 到 10 釐米之間。 微波是在雷達通訊中開發的，但人們發現它們是一種有效的方式，可以加熱被這種波長的電磁輻射以大振幅轟擊的水分子。 如果你正在無線使用 WiFi 連線網際網路，那麼你的資料正透過大約 12.5 釐米的波長髮送到你的電腦或平板電腦，略低於微波頻率，並在電磁輻射的最長波長範圍內 - **無線電波**。 無線電波的波長可以超過一米，這意味著它們在電磁輻射範圍內攜帶的能量最少。
光的波長、能量以及您如何看待世界
[edit | edit source]在波長和光子攜帶的能量之間存在著重要的關係。 如果波長很短，光子必須比波長更長的光子走更長的絕對距離，而波長更長的光子走的是更直的路徑。 光波就像觀察兩輛在同一時間完成比賽的賽車，但其中一輛賽車必須走一條更彎曲的路線，而另一輛則走了一條更直的路線。 光線只有在與質量相互作用時才會轉換為更長的波長並降低其能量，光波撞擊的質量越大，其能量降低得越多，產生的波長就越長。 這就是您觀察宇宙、這就是您如何看待世界的！ 光子在與質量碰撞時，會轉換為更長的波長，並表現出更少的能量，這些能量中的一部分會轉移到原子，從而導致熱量。 這種波長的變化會導致任何具有足夠質量的物體透過改變波長反射不同顏色和色調的光線。
顏色系統
[edit | edit source]
顏色 是每個藝術家都理解的東西，但現代色彩科學的出現卻與一幅美國曆史上最著名的盲人之一的肖像畫有關，海倫·凱勒。海倫·凱勒出生時有視力和聽力，但在嬰兒時期因病迅速失去了視力和聽力。她終身被困在黑暗和寂靜中，學會了用手語交流，透過觸覺。後來，她寫了許多書，並繼續為婦女爭取平等權利。她非凡的故事引起了公眾的廣泛關注，1892年，一位名叫阿爾伯特·H·芒塞爾的藝術家為她畫了一幅肖像。芒塞爾為海倫·凱勒畫了一幅油畫，現收藏於美國盲人基金會，兩人也成為了好朋友。這次經歷對阿爾伯特·芒塞爾產生了持久的影響，他隨後開始研究顏色，試影像一個好奇的科學家而不是一個藝術家那樣去理解顏色。芒塞爾專注於風景畫，他可能瞭解藝術家們用來限制光線以捕捉明亮的陸地或海洋景觀的獨特方法。這是透過在要繪製的景物前放置一塊紅色玻璃板來實現的。由於紅色在可見光譜中波長最長，因此波長會向更長的波長方向移動，超過了我們所能看到的範圍，更短的波長變得如此低，以至於它們變暗或消失（如紅外線），而更亮的光線則只會產生紅色的可見光。因此，光線的明暗度在繪畫或素描中更容易表現出來。
芒塞爾開始根據灰度對顏色進行分類，從 0 代表純黑色到 10 代表純白色，在這兩個值之間有各種灰度。這種對顏色的度量稱為明度，如果在所有顏色上放置一個紅色濾鏡，或者用現代方法，對顏色拍攝黑白照片，就可以看到明度。例如，如果一種深黃色的油漆與一種鮮紅色的油漆具有相同的明度，在黑白照片下，兩種顏色看起來會完全一樣。色相是指顏色名稱；紅色、黃色、綠色、藍色、紫色和紫羅蘭色，代表可見光譜的波長。顏色的最後一個分類是芒塞爾稱之為彩度的東西。彩度是指顏色的濃度，例如，高彩度的顏色會像霓虹燈一樣，非常明亮，令人討厭。這些高彩度顏色是由波長振幅較高的光波引起的。振幅是衡量光波高度或波峰高度的指標，它是光除了波長、能量和方向之外的另一個引數。
阿爾伯特·芒塞爾對自己的新色彩分類印象深刻，他開始在波士頓對四年級到九年級的學生進行關於他新色彩理論的教育，作為一種新的小學美術課程。芒塞爾的色彩分類對社會和工業產生了深遠的影響，新一代學生從小就接受了關於色彩的教育。他的色彩分類導致了時尚、設計、藝術、食物、烹飪和廣告的深刻變化。但他的色彩科學也對哈佛大學的亨麗埃塔·勒維特產生了深遠的影響。阿爾伯特·芒塞爾受愛德華·皮克林的邀請，為皮克林指導下的女天文學家們作了演講。
雖然勒維特沒有聽到阿爾伯特·芒塞爾的演講，因為她那時已經失聰了，但她無疑看到了他的色彩分類，並且可能意識到色相（光的波長）和彩度（光的振幅或亮度）之間的差異很重要。不久之後，她就發表了她著名的 1912 年論文，該論文發現了恆星亮度（視星等）與其週期性之間的關係。這篇論文在小型天文學界引起了震動，因為它提供了一個測量宇宙的標尺。
天文學家們渴望嘗試使用這個新工具來測量到恆星的距離。然而，早期的嘗試產生了不同的距離。最早的系統性嘗試之一是由哈羅·沙普利提出的，他是位於南加州的威爾遜山天文臺的臺長。他使用這個標尺估計宇宙距離地球約 300,000 光年，遠大於之前的估計，但與今天的現代估計相比，仍然相當小。他認為夜空中所有的恆星都在銀河系中，並非所有天文學家都同意他的觀點，有些人認為銀河系是宇宙中眾多星系中的一個島嶼。不久之後，愛德華·皮克林去世後，哈羅·沙普利加入了哈佛大學的亨麗埃塔·勒維特。這使得位於加利福尼亞州的威爾遜山天文臺落入了一位名叫埃德溫·哈勃的英俊年輕天文學家手中。
利用光線測量宇宙膨脹
[edit | edit source].JPG)
埃德溫·哈勃是高中田徑運動的明星運動員，在大學裡打籃球，帶領芝加哥大學獲得了第一個聯盟冠軍。大學畢業後，他獲得了羅德獎學金，前往英國牛津學習法律。回到美國後，埃德溫·哈勃找到了一份教高中西班牙語、物理和數學的工作，還擔任高中籃球隊的教練，但在他父親去世後，埃德溫·哈勃回到學校在芝加哥大學攻讀天文學學位。1917 年，戰爭爆發，哈勃加入了軍隊，在第一次世界大戰期間服役於歐洲。
.jpg)
哈勃回到美國後，在加利福尼亞州新成立的威爾遜山天文臺找到了一份工作，後來他在哈羅·沙普利離開後接手了天文臺。他繼續專注於造父變星，希望使用亨麗埃塔·勒維特發明的工具來更好地測量宇宙。哈勃將注意力集中在仙女座螺旋星雲中的一顆恆星上，他在 1923 年將其命名為 V1。在幾周的時間裡，他觀察了這顆恆星亮度的變化，測量了它的週期性，他確定其最大亮度之間的週期為 31.4 天。利用這個測量結果，他估計仙女座螺旋星雲的距離超過 1,000,000 光年，是一個超出我們銀河系的星系。他寫信給沙普利，沙普利回覆給一位同事說：“這是毀滅了我宇宙的那封信。”它並沒有毀滅一個宇宙，而是埃德溫·哈勃證明了一個比我們想象的大得多的宇宙，充滿了像銀河系一樣的其他星系。如今，宇宙的直徑估計為驚人的 93,000,000,000 光年，即 930 億光年！
但埃德溫·哈勃最大的發現不僅僅是宇宙的廣闊無垠，還有它正在以驚人的速度膨脹。這個發現是透過檢驗來自星光的電磁輻射光譜得出的。
黑體輻射體
[edit | edit source]
在地球上的某個黑暗森林裡，有一堆火在石頭環的中心燃燒，一群人圍著火焰。火已經成為人類的定義，它在人類歷史的早期就出現了，甚至早於我們物種的起源，大約 100 萬年前，當時直立人走出非洲，走向更遠的地方。如果你曾經觀察過火焰，你會注意到它顏色的變化，黃色、紅色，以及在熾熱的餘燼中深邃的藍色，甚至可能還有紫色。這些不斷變化的彩色火焰代表著火焰發出的電磁輻射，這種輻射會加熱周圍的空氣，並在黑暗的夜晚提供光線。火焰的顏色可以直接告訴我們火焰的溫度，因為發射的光波波長越短，火焰的溫度就越高。我們還可以透過仔細研究恆星發出的光譜的顏色來判斷恆星的溫度。
如果鐵匠將一個黑色的鐵球放入火中，他們會觀察到隨著鐵球被加熱，顏色會發生變化。顏色從黑色的鐵球開始，慢慢地開始發出深紅色，然後是更亮的黃色，在更高的溫度下，鐵會發出藍綠色，在超高溫下會變成淺紫色。檢查從“黑體”輻射的鐵球發出的顏色光譜，就會發現一個趨勢：隨著鐵球在火中被加熱，它發出的光的波長越來越短。黑體是一個理想化的物體，當被加熱或冷卻時會發射電磁輻射（它也會吸收這種光）。
加熱的鐵球或“黑體輻射體”發出的光譜可以用來計算它的溫度。同樣的方法可以用來計算恆星的溫度，包括之前提到的太陽表面溫度（5,778 開爾文）。我們不需要將溫度計放到太陽的熱表面，我們可以利用太陽自身的光來測量它的溫度。我們還可以利用同樣的原理來測量數百萬光年外的恆星的溫度。對電磁輻射光譜的研究被稱為光譜學。在 19 世紀 50 年代的德國，一位名叫古斯塔夫·基爾霍夫 的科學家對加熱物體發出的電磁輻射光譜著迷，並在 1862 年創造了“黑體”輻射體一詞。基爾霍夫很好奇，如果他用電加熱或激發氣體粒子，而不是像鐵球這樣的固體物質，會發生什麼？氣體會隨著加熱發出與固體相同的顏色光譜嗎？實驗表明，氣體會發出非常窄的光譜範圍。例如，一個裝有氖氣體的密閉玻璃罐會產生明亮的紅色和橙色光帶，而氬氣會產生藍色以及其他顏色的光波，汞氣則會發出更偏藍色的白色光。這些充氣電燈被商業化開發成霓虹燈和熒光燈，在非常離散的波長下具有各種各樣的顏色光譜。
.jpg)
基爾霍夫進行了一系列實驗，在純淨氣體的腔室中加熱固體黑體，並注意到在未被氣體吸收的光的光譜中，包含了氣體被加熱時發出的相同波長。當這些波長的光被氣體吸收時，它們會在觀察到的光譜中留下離散的線。根據光穿過氣體粒子的型別，吸收的光波的光譜對每種氣體都是獨特的。天文學家，比如埃德溫·哈勃在恆星的光譜中觀察到類似的吸收線。
這被證明是一種確定恆星成分的方法。例如，這就是我們知道太陽主要由氫和氦組成的原因，這些氣體的吸收線在太陽光的譜中都有顯示。在基爾霍夫的實驗室工作的年輕科學家馬克斯·普朗克 很好奇，為什麼在非常高的溫度下加熱的物體似乎沒有無限地降低波長。經過多次實驗，馬克斯·普朗克確定了一個將電磁輻射波長轉換為能量單位的數值。這個特殊的數值被稱為普朗克常數 h。目前{{{1}}} 每赫茲，使得
其中 E 是電磁輻射產生的能量，h 是普朗克常數，c 是光速，λ 是波長。請注意，根據這個方程——隨著波長的增加，能量減少。普朗克常數是物理學和化學中一個非常重要的數字，因為它與原子的大小和電子在原子核中軌道距離有關，因此普朗克常數 在量子物理學 中也很重要。這個方程的重要性在於它允許直接比較光的波長和能量。請注意，能量是粒子內部振動力的度量，換句話說，是熱量的度量。
從根本上說，重要的是要記住，電磁輻射（可見光和不可見光）是將能量傳輸到太空的有效方式。當電磁輻射撞擊有質量的粒子時，電磁輻射中的能量會以熱的形式釋放出來。當這種情況發生時，電磁輻射的波長會增加，同時將部分能量轉移到粒子中。粒子會增加它們的振動運動（熱量的度量）。這個基本概念解釋了地球如何獲得幾乎所有的能量，透過來自太陽的光的轟擊。地球還透過放射性原子衰變釋放電磁輻射獲得一些能量，這些原子最初是在超新星爆發事件中形成的，但此後一直在衰變。因此電磁輻射是由核裂變和核聚變產生的，但這並不是產生電磁輻射的唯一方法。
發光的岩石或熒光
[edit | edit source]
在大多數自然歷史博物館中，有一個隱藏的黑暗房間，裡面陳列著各種看起來普通的岩石。然而，這些收集的岩石每天都經歷著房間燈光開啟和關閉的迴圈，但是吸引公眾注意這些岩石的是，當房間陷入黑暗時 - 這些岩石發光。這種發光被稱為熒光，它是由於自發產生電磁輻射，以光子 的形式產生的。當光波或任何型別的電磁輻射撞擊原子時，特別是被固體物質中的鍵合固定在位的原子，來自入射光的能量轉移不會導致振動能量（熱量）增加，而是轉換為電子場，導致電子能態 增加。隨著時間的推移，有時會經過很長的時間，電子會自發地降落到較低的能態，當它這樣做時會釋放一個光子。如果足夠多的原子受到入射輻射的影響，下降的電子能態會釋放足夠的光子在視覺光譜中被看到，岩石看起來會發光。請注意，入射光的波長必須攜帶高於視覺光譜的能級，通常使用的是紫外線，但也可以是更短波長的電磁輻射。
當您看到岩石的熒光時，這是這些光子在電子在受到短波長電磁輻射（如紫外線、X 射線甚至伽馬射線）的影響後躍遷到更高的能態，然後跌落到更低的能態後釋放出來的。事實上，放射性物質發光的原因是，周圍物質的電子能態在受到這些放射性物質產生的高能和短波長電磁輻射的影響後釋放出來。
還有許多其他方法可以將電子激發到更高的能態，這會導致光子的自發釋放。當物體受到電磁輻射的影響時，科學家將光子的自發釋放稱為磷光。當物體受到熱量或溫度升高的影響時，這被稱為熱釋光，例如“黑體”輻射體或鐵球的發光就是熱釋光的例子，是由電子下降能態並釋放光子造成的，這是因為它們受到溫度升高的影響。最後一種熒光型別是摩擦發光，它是由運動或動能引起的。當兩個岩石（例如含有石英的岩石）撞擊在一起時，就會發現摩擦發光，由此產生的閃光是由電子能態快速跳躍和下降，釋放光子造成的。當電子不再受到原子中質子的極性吸引時，這些自由電子被稱為電，它們的運動會產生光子，在電線之間跳躍時產生的電火花中可以看到。
什麼是電？
[edit | edit source]電 是與電子運動相關的物理現象。通常，電子 透過它們對原子核或原子中心的質子 的吸引力被鎖定在原子中。電子錶現出負電荷（−）並且被吸引到帶正電荷（+）的物質，例如質子。由金屬鍵 組成的特殊材料對電子運動具有導電性，因為電子可以很容易地在透過金屬鍵連線的原子之間移動。銅、鐵、鎳和金都是良好的導體，可以使電子移動。電子也可以透過極性分子（具有正負極或側面的分子）移動。這就是為什麼電子可以穿過含有溶解鹽的水、活組織和各種含有溶解的極性分子的液體的原因，也是為什麼觸碰帶電的電流很危險以及為什麼在觸碰時會感到電擊的原因。
電子的自由流動被稱為等離子體，它發生在電子從原子中剝離時。雷雨中的閃電就是一個很好的等離子體例子，它是負電荷雲與帶正電荷的地面之間電子的自由流動。電子沿著電線的電流從電線的負極端移動到正極端。當電子沿著電線移動時，它們會產生電磁場，使得放在這個不可見場中的指南針會重新定向到這個磁場中。這個電磁場最初由邁克爾·法拉第 研究，並導致了我們日常生活中使用的各種驚人的發明，例如電動汽車中使用的電動機。當電子運動時，它們可以跌落到較低的能態並釋放電磁輻射或光。這就是為燈泡、電腦和我們日常生活中使用的許多電器供電的方式。
電子如何流動產生電流？如何發電？實際上，有四種基本的電力產生方法。
1. 電磁輻射或光，如陽光。 當光子撞擊電子時，它們會提高電子的能級。這最早是由海因裡希·赫茲首次證明的。當電火花暴露在紫外光束中時，火花中光的波長從長波長轉變為短波長。這種電磁輻射與電子之間的相互作用被稱為光電效應。這就是太陽能發電的方式，例如發電的太陽能電池板，也是植物透過光合作用產生能量的方式。
2. 動能。 物質的運動可以從物質中剝離電子，產生電荷。這種現象可以在材料中積累靜電時看到，由於兩種材料相互接觸，一種材料作為絕緣體（意味著它阻止電子在原子之間流動），另一種材料作為導體（意味著它允許電子在原子之間自由流動），材料會積累過量的電子。電子會在導電材料的表面積聚，並以電火花或靜電放電的形式釋放。工業發電廠最常利用這種型別的發電方式，利用運動。大型磁鐵在導電材料（如銅線）的閉合迴路中旋轉，將電子吸引到銅線中，電子沿著電線流向家庭和企業。大型旋轉渦輪通常由熱蒸汽（煤炭、天然氣、核能或地熱發電廠）、水流（水力發電大壩）或風（風力渦輪機）驅動，使導電材料持續旋轉併產生電子。
3. 熱能。 電流可以透過熱梯度產生，將一個加熱的表面與一個冷的表面緊密結合，並在熱梯度之間放置兩種具有不同導電效能的材料，使電子在一側積累，從而在另一側產生電流。熱電發電的電力被用於可穿戴裝置的發電中，利用人體熱量的熱梯度。它也被用來從“廢熱”中發電，即由燃料燃燒產生的熱量，例如內燃機或發電廠，作為提高發電量的輔助方法。這種熱能到電能的轉換可以讓你只需使用一杯咖啡或茶的熱量就能給手機充電，正如安·馬科辛斯基最近在深夜秀上展示的那樣。
4. 化學能。 電荷可以積聚並儲存在電池中。電池這個詞最早是由本傑明·富蘭克林創造的，他將一系列萊頓瓶排成一排，用金屬線連線起來，增加了他在接觸萊頓瓶頂端時受到的電擊。由於這些瓶子排成一排，它們看起來像一排大炮，這指的是“電池”這個軍事術語，指的是一排大炮。萊頓瓶本身不會產生電流，但它提供了一種簡單的儲存電子和電荷的方法。
作為最簡單的電池型別，萊頓瓶是一個用導電金屬包裹的瓶子，裡面裝滿導電液體（通常是溶解了鹽的水），瓶蓋上放一個釘子或金屬線，確保外側金屬不接觸瓶蓋上的金屬線或釘子。使用一根棒子和一塊布，可以將電子新增到瓶蓋上，方法是透過一根帶電的棒子（在用布摩擦後積累靜電），電子會流入釘子（稱為陽極，或 − 端）並流入水中（稱為電解質）。由於這些電子無法透過玻璃瓶流到外表面金屬（稱為陰極，或 + 端），它們會積聚在瓶子內部，直到瓶蓋（陽極或 − 端）和瓶子外部（陰極或 + 端）之間形成迴路。如果一個人形成了這個迴路，他們會感到電擊。如果連線一根帶有燈泡的電線，燈泡就會亮起來。
現代電池可以透過兩種不同的液體電解質產生電流，它們由一層膜隔開，該膜允許電子透過，但不允許液體中的分子透過。因此，隨著時間的推移，電子會積聚在一側（變為負電荷），而在另一側（變為正電荷）的兩個電解質室中耗盡。一些電池一旦電子返回到另一側，就會耗盡，而另一些電池則允許將反向電流施加到電池（電子反方向流動），這將重置兩個電解質室之間電子數量的差異，從而重新為電池充電。然而，隨著時間的推移，分子會失去其提供和接受電子的化學能力，即使是可充電電池也會有有限的使用壽命。然而，新的技術正在延長電池壽命，特別是那些含有高反應性元素鋰的分子。
化學能通常透過放熱化學反應產生熱量（例如汽油的燃燒），然後利用熱量以前面提到的方式之一發電。
當電子沿著導電材料沿單一方向流動時，這被稱為直流電或（DC），這是電池中常見的電流型別。然而，電子通常會透過交流發電機，交流發電機產生電子沿電線以波浪形式來回交替流動的電流，這被稱為交流電（AC）。通常情況下，你家中的大多數電器都使用交流電，因為它在透過金屬線長距離傳輸連續能量流方面更有效。然而，大多數電池透過直流電提供電子。
陽光是地球上大多數電力產生的最終原始來源。電能可以作為化學能長時間儲存，例如在電池中，也可以儲存古代的化石生命形式中，這些生命形式以前使用光合作用來生產碳氫化合物，這些碳氫化合物經過漫長的地質時期分解成天然氣、汽油或煤炭。這些“化石燃料”可以燃燒並在放熱反應中產生熱量，透過熱量和運動發電。
科學家們一直在討論宇宙的理論本質，尤其是關於宇宙中可獲得能量的長期趨勢。開爾文勳爵和經典的熱力學定律認為，由於熵，宇宙中的能量會慢慢耗盡，最終宇宙將面臨“熱寂”，屆時所有的能量都將耗盡。其他科學家發現了物質與能量之間的聯絡，例如阿爾伯特·愛因斯坦，他提出了物質與能量之間能量流的平衡，延長了宇宙的壽命。而最近，科學家們假設未來很長一段時間內能量會不斷增加，最終導致“大坍縮”或“大反彈”，屆時宇宙中所有物質可能會重新聚合在一起，並可能迴圈回到另一個大爆炸。這些宇宙學假設雖然令人感興趣，但目前所收集的科學證據並未提供太多支援。然而，有證據表明宇宙正在持續快速膨脹，這表明正在膨脹的宇宙正在隨著時間的推移慢慢失去能量，就好像宇宙是一個持續的巨大爆炸，由大爆炸引發的。
當埃德溫·哈勃在加州威爾遜山天文臺研究恆星光的可見光譜時，他可以計算出這些遙遠恆星的溫度和成分。現在，透過比較亮度和週期性來確定這些恆星的距離，他注意到了一種奇怪的關係。一顆恆星或星系離地球越遠，其可見光譜就越向紅色方向移動，以至於吸收線略微向更長的波長光移動。透過測量恆星光譜的這種移動，哈勃將這種移動的長度與觀測到的恆星或星系的距離作圖，發現距離恆星或星系越遠，觀測到的移動就越大。
這種現象被稱為紅移。哈勃利用這張圖計算出了後來被稱為哈勃常數的值，它是宇宙膨脹的度量。哈勃第一次發表了對這種膨脹的估計，使用的是公里每秒每百萬秒差距（百萬秒差距）的符號。百萬秒差距是一百萬秒差距，相當於 326 萬光年，或 31×1018 公里。這是一個極其遙遠的距離。天文學家們對他最初的估計進行了爭論，在接下來的 100 年中，關於哈勃常數的精確值一直在持續爭論。
1990 年發射了一顆以埃德溫·哈勃命名的地球軌道衛星，即 哈勃太空望遠鏡 試圖解決這個問題。在 地球大氣層之上，哈勃望遠鏡能夠測量遙遠恆星的紅移以及它們的亮度週期性，從而可以對該常數進行更精確的測量，結果為 73.8 ± 2.4 km/s/Mpc。每百萬秒差距（約 326 萬光年）的距離，宇宙膨脹速度快 73.8 公里/秒。一顆距離地球 100 Mpc 的恆星，其膨脹速度將是地球的 7380 公里/秒。
而另一臺以馬克斯·普朗克命名的望遠鏡，即 普朗克宇宙飛船，由歐洲航天局於 2009 年發射，觀察了來自宇宙的不可見微波電磁輻射，該輻射也表現出紅移，發現宇宙膨脹速度略慢，為 67.8 ± 0.77 km/s/Mpc。此測量值是恆星之間距離的不斷增大。
想象宇宙的一種方式，就像上升的麵包麵糰一樣，恆星就像散佈在麵糰中的巧克力片一樣。隨著麵糰上升或膨脹，麵糰中每個巧克力片之間的距離會增加。這種膨脹的速度可能比光速快，因為沒有任何東西在該距離內傳播，而是距離本身在點之間擴充套件。
使用哈勃望遠鏡發現的 73.8 km/s/Mpc，以及從地球觀察到的最遠天體（大熊座星系 GN-z11）的發現，測量結果為距離地球 112,738 Mpc（紅移為 11.1）。地球和這個遙遠的星系 GN-z11 之間的距離膨脹速度大約是光速的 28 倍！換句話說，地球和 GN-z11 上一次共享同一個空間是在 129.40 億年前，它們之間的距離正在不斷地加速遠離彼此。如果我們將這個宇宙膨脹倒退，我們發現宇宙估計有 135 億年的歷史，並且一直在以比光速更快的速度從地球向各個方向膨脹。請注意，在 1 米的距離內表示的這種宇宙膨脹速率，每 31.7 年只會膨脹一個原子的寬度。自從 45 億年前地球形成以來，宇宙的膨脹只增加了每米 1 釐米。然而，在廣闊的太空距離內，這種宇宙膨脹是相當大的。
史蒂芬·霍金 在 2018 年去世前的一次演講中寫道：“宇宙的膨脹是 20 世紀乃至任何世紀最重要的智力發現之一。” 事實上，從地球上某個人的角度來看，就好像夜空中所有的恆星都從你身邊飛馳而去，就像一場宇宙兒童的捉迷藏遊戲，而你是它。這個不斷膨脹的宇宙是太陽系在宇宙中完全孤立以及地球的極度珍貴和脆弱本質的決定性證據。
| 上一頁 | 當前頁 | 下一頁 |
|---|---|---|