地球/2c. 電磁輻射和黑體輻射器
在 1891-92 學年，一位名叫 亨麗埃塔·勒維特 的年輕女子參加了天文學課程，這改變了她的生活。她在課堂上對恆星的迷戀被點燃了。由於 哈佛女性大學教育協會 在哈佛大學附屬機構，以及在女性不被允許進入哈佛大學主校區的時代，這門課只向她開放。勒維特在最後一年獲得了 A−，她帶著一種雄心勃勃的渴望，渴望將恆星研究作為一項全職職業。在課程結束後，甚至在她大學畢業後，她開始在 哈佛大學天文臺 自願做一些工作，整理夜間用大學新式高倍望遠鏡觀測到的恆星照片。研究人員正在使用這些照片來編目恆星，記錄它們的顏色和亮度。
天文學家非常有興趣測量從地球到這些在夜空中觀測到的恆星的距離。科學家們已經知道月球和太陽的距離很多年了，他們透過測量一種叫做視差的東西來進行測量。視差 是指從不同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，舉起你的拇指並用你的拇指瞄準一個遠處的物體，這樣你的拇指就會與遠處的物體對齊。如果你換眼，你會注意到遠處物體相對於你的拇指跳到了不同的位置。利用一些基本的數學方法，你可以計算出物體離你有多遠，因為物體越近，它基於你的觀察點的位置變化就越大。然而，當距離非常遠時，在地球上不同觀察點的位置差異相對於物體距離而言太小，無法測量。恆星離地球太遠了，無法測量出地球的實際距離，而科學家們渴望瞭解宇宙的大小和尺度。
亨麗埃塔·勒維特 探索測量這些恆星距離的工具的旅程是一個漫長的過程。雖然她開始著手撰寫一份報告來描述她的觀察結果，但她被前往歐洲的旅行以及搬到威斯康星州打斷了，在那裡，她沒有教科學，而是獲得了一份在 貝洛伊特學院 教藝術的工作。她在威斯康星州的經歷以及寒冷的氣候導致她病得很重，失去了聽力。在她生命餘下的時間裡，她因為病痛而失聰，她寫信回哈佛，希望能得到在那裡工作的機會，幫助整理和研究恆星的照片，這是她仍然感興趣的事情。她回到了自己的工作崗位，這導致了一個非凡的發現。
天文學家透過測量恆星的亮度來測量所謂的視星等。遙遠的巨大恆星與靠近地球的較小的恆星具有相同的亮度，因為無法判斷恆星的距離並確定恆星的絕對星等。恆星的視星等是在天文臺望遠鏡拍攝的照片上測量的，但亨麗埃塔·勒維特在檢視她目錄中 1,777 顆恆星的一個子集時，觀察到了一種奇怪的關係。她查看了位於小 麥哲倫星雲 中的 25 顆恆星，這些恆星被認為距離地球大致相同。這些恆星位於一個星團中，彼此靠近。此外，這 25 顆恆星被認為是 造父變星，它們是亮度在幾天到幾周內脈動的恆星。
亨麗埃塔·勒維特仔細測量了這些恆星的亮度，持續了幾天到幾周的時間，並確定了亮度脈動的週期性，發現恆星越亮，亮度脈動的週期就越長。由於這些恆星距離地球大致相同，因此這種關係表明了一種方法，可以透過觀察亮度脈動的週期性來判斷一顆恆星離地球有多遠。如果兩顆恆星具有相同的亮度，但一顆恆星的亮度脈動週期更長，那麼亮度脈動週期較短的恆星離得更近。因此，亨麗埃塔·勒維特發現了一個衡量宇宙的標尺。她於 1912 年發表了自己的發現，發表了一篇簡短的 3 頁論文，她向她的主管 愛德華·皮克林 口述了這篇論文。她的發現後來變得很重要，但首先，你應該瞭解光究竟是什麼。
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，光被認為是心靈的產物，是你的眼睛如何接收周圍環境的，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引起的。一個非常好的比喻是想象一個球在山上上下滾動，因為它在移動。利用諾特定理，我們可以推測這個球在山頂的位置之間振盪，在那裡能量被儲存為勢能，以及在山腳的位置，在那裡能量被釋放為動能，導致球在下一個山坡上上升。由於它以光速傳播，因此球在上升下一個山坡時不會因熵而損失能量。
這個移動的無質量球被稱為光子，山之間的距離被稱為波長。因此，光可以被看作是粒子也是波。山峰或波長可以垂直、水平或對角地定向到光子傳播路徑的任何方向。偏振光是其中方向被限制為一個方向的光。
如果您曾在影院看過現代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，右眼的光線在一個方向上，而左眼的光線在另一個方向上（通常是垂直的）。這樣，模糊的電影影像就可以在同一時間被分解成兩張獨立的影像，分別對應於兩隻眼睛，從而產生立體感。如果您剪下3D眼鏡中的兩個鏡片，可以將它們互相垂直放置，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，最終導致黑暗。
這被稱為交叉偏振，因為沒有光線可以透過。但是，您可以在兩個偏振鏡片之間放置一個晶體或透鏡，它可以將光線彎曲或反射到不同的方向，這樣可以讓一些光波在兩個鏡片之間彎曲或改變方向，從而使光線能夠穿過之前黑色的鏡片，這被稱為雙折射。雙折射是指材料的一種光學性質，即其折射率取決於光的偏振和傳播方向。這是晶體學中的一個重要原理，並導致了液晶顯示器 (LCD)平板電視顯示器的突破性進展，這些顯示器廣泛應用於體育酒吧、機場和世界各地的客廳牆壁上。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。該電壓會改變晶體的雙折射，使光線能夠穿過之前阻擋光線的頂部偏振鏡片。可以使用彩色濾光片新增顏色。因此，如果您正在電子裝置上閱讀這些文字LCD，那麼很可能就是由於這種彎曲偏振光的方向才讓您能夠做到這一點。
光的波長和顏色
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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，具體取決於波長的距離。一個光子在間隔很短的陡峭山丘上彈跳具有更高的能量，而一個光子在間隔很遠的緩坡上彈跳具有較低的能量。使用這個比喻，光既表現為粒子，又表現為波。這首先由托馬斯·楊（這位博學多才的學者翻譯了埃及象形文字，並創造了“能量”一詞）於1801年證明，他在一張紙上開兩個縫，並透過它們照射光，證明了光波相互作用時在螢幕上出現奇怪的圖案，導致投射到螢幕上的光出現干涉圖案。類似於在池塘中投入兩塊石頭時出現的漣漪。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，但實際上是不同波長光線的混合體，紫色的光以最短的波長傳播，平均波長為 400 奈米（1 奈米 = 0.000000001 米或 1 x 10-9 米），而深紅色的光以最長的波長傳播，平均波長為 700 奈米。可見光譜中顏色的助記符 ROY G. BIV 有助於記住從最長到最短波長的顏色順序。紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，紅色波長最長，因此能量最小，而紫色（或紫羅蘭色）波長最短，因此能量最大。光可以沿著高於和低於這些值的波長傳播，這種特殊的“不可見”光統稱為電磁輻射，它指的是光譜中可見光和不可見光。
正常的陽光看起來是白色的，但實際上是不同波長光線的混合體，淡紫色的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），而深紅色的光以最長的波長傳播，平均波長為 700 奈米。可見光譜中顏色的助記符 ROY G. BIV 有助於記住從最長到最短波長的顏色順序。紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，紅色波長最長，因此能量最小，而紫色（或紫羅蘭色）波長最短，因此能量最大。光可以沿著高於和低於這些值的波長傳播，這種特殊的“不可見”光統稱為電磁輻射，它指的是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，因此科學家稱這種能量為太陽的電磁輻射。紅外線光是指波長比可見光長的光，而紫外線光是指波長比可見光短的光。紫外線或 (UV) 光包含更多的能量，長時間照射會造成曬傷，最終導致皮膚癌。防曬霜可以阻止這種高能量的光線照射皮膚，而 UV 防護眼鏡可以阻止這種有害的光線照射眼睛，導致白內障。能量較低的紅外線光在“夜視”眼鏡的開發中起著重要作用，因為這些眼鏡可以將低能量的紅外線光轉換為可見光譜。這對熱成像很有用，因為較熱物體發出的紅外線光波長比較冷物體短。電磁輻射光譜中能量最高的的光線是伽馬射線。這種波長極短的電磁輻射是太陽核心核裂變產生的第一種光線。伽馬射線具有如此高的能量，可以穿透固體物質。雖然經常在漫畫書中被當作超能力的來源，但伽馬射線是最危險的電磁輻射形式，實際上，這種來自核聚變和核裂變的“輻射”會產生一種可以穿透材料的光線，例如動物和植物的組織，並在穿過時嚴重破壞這些生命形式中的分子，導致疾病和死亡。稍低但仍然具有高能量的電磁輻射是短波長X 射線，它們也因其穿透材料的能力而聞名，並被醫生用來觀察您的骨骼。X 射線也會損害活組織，長時間照射會導致癌症和活細胞受損。核輻射是伽馬射線和 X 射線共同組成的短波電磁輻射，可以穿透材料，只有由質量最大的原子組成的材料才能阻止它們，例如鉛。下一種電磁輻射是波長稍長的紫外線，然後是我們可以看到的可見光，它只是電磁輻射光譜中非常窄的一段。可見光下方是紅外線，它比可見光能量更低，並且由溫暖的物體發出。令人驚訝的是，一些波長最長的電磁輻射是微波，它們位於紅外線下方，波長在 1 到 10 釐米之間。微波是在雷達通訊中開發出來的，但人們發現它們是加熱被這種波長的大振幅電磁輻射轟擊的水分子的有效方法。如果您正在使用無線網際網路連線 WiFi，您的資料就是透過大約 12.5 釐米的波長髮送到您的計算機或平板電腦的，這略低於微波頻率，並且位於電磁輻射中最長波長範圍內——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、能量和您如何感知世界
[edit | edit source]關於波長和光子攜帶能量之間的關係，有一個重要的考慮因素。如果波長較短，光子必須比波長較長、路徑更直的光子走更長的絕對距離。光波就像觀察兩輛在完全相同的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。光只有在與質量相互作用時才會向更長的波長移動並降低能量，光波撞擊的質量越大，它的能量降低就越多，產生的波長就越長。這就是你觀察宇宙、這就是你看到的方式！光子與質量碰撞時，會向更長的波長移動並表現出更少的能量，這些能量中的一部分會轉移到原子中，導致熱量產生。這種波長變化會導致任何具有足夠質量的物體透過改變波長來反射不同顏色和陰影的光。
顏色是每個藝術家都理解的東西，但現代顏色科學的出現是與一位美國曆史上最著名的盲人之一的肖像畫有關的，即海倫·凱勒。海倫·凱勒出生時有視力和聽力，但嬰兒時期患病後很快都失去了。她一生都被困在黑暗和沉默中，學會了透過用手觸碰來交流。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·芒塞爾的藝術家受委託為她畫了一幅肖像。芒塞爾為海倫·凱勒畫了一幅油畫，這幅畫現在掛在美國盲人基金會，他們兩人成了好朋友。這段經歷可能對阿爾伯特·芒塞爾產生了持久的影響，因為他此後不久就開始研究顏色，試圖更多地從科學家的角度而不是藝術家的角度來理解顏色。芒塞爾專注於風景藝術，他可能理解了藝術家在試圖捕捉明亮的陸地或海景時所採用的獨特方法。這是透過在要繪製的景觀前放一塊紅色玻璃板來實現的。因為紅色在可見光譜中波長最長，所以波長會移動到我們無法看到的更長波長，更短的波長會變得非常低，從而變暗或消失（如紅外線），而更亮的光只產生可見的紅色光。因此，光的明暗度可以在繪畫或素描中更容易地表現出來。
芒塞爾開始根據灰度對顏色進行分類，從 0 表示純黑色到 10 表示純白色，在這兩個值之間有各種灰度。這種顏色度量被稱為明度，如果在所有顏色上放置一個紅色濾鏡，或者用現代的方式，拍攝顏色的黑白照片，就可以觀察到這種顏色度量。顏色的可觀察差異消失了，但顏色的明度保留了下來。例如，如果一種深紅色的油漆與一種鮮紅色的油漆具有相同的明度，那麼在黑白照片下，兩種顏色看起來就會一樣。色相是命名的顏色，紅色、黃色、綠色、藍色、紫色和紫羅蘭色，表示可見光譜的波長。顏色的最後一個分類是芒塞爾稱為彩度的東西。彩度是指顏色的濃度，例如，具有高彩度的顏色就像霓虹燈一樣，非常亮而且很刺眼。這些高彩度顏色是由波長具有較高振幅的光波引起的。振幅是衡量光波高度或波峰高度的量，它是光除了波長、能量和方向之外的另一個引數。
阿爾伯特·芒塞爾對他的新顏色分類印象深刻，並開始在波士頓教授四到九年級的學生他的新顏色理論，作為一種新的小學藝術課程。芒塞爾的顏色分類對社會和工業產生了深遠的影響，因為新一代的學生從小就學習了關於顏色的知識。他的顏色分類對時尚、設計、藝術、食物、烹飪和廣告產生了深刻的改變。但他的顏色科學對哈佛大學的亨麗埃塔·勒維特也產生了深遠的影響。阿爾伯特·芒塞爾應愛德華·皮克林的邀請，為在他的監督下工作的女性天文學家做了一次演講。
雖然勒維特沒有聽到阿爾伯特·芒塞爾的演講，因為她那時已經失去了聽力，但她無疑看到了他的顏色分類，並且可能意識到色相（光的波長）和彩度（光的振幅或亮度）之間的差異的重要性。此後不久，她就發表了她著名的 1912 年論文，這篇論文發現了恆星的亮度（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轟動，因為它提供了一把尺子來測量宇宙。
天文學家渴望嘗試使用這種新工具來測量恆星的距離。然而，早期的嘗試產生了不同的距離。其中一項最早的系統性嘗試是由哈洛·沙普利提供的，他是南加州威爾遜山天文臺的臺長。他使用這種尺子估計宇宙距離地球約 300,000 光年，比之前的估計要大得多，但與今天的現代估計相比，仍然很小。他認為夜空中所有的星星都在銀河系內，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。此後不久，愛德華·皮克林去世後，哈洛·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。
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埃德溫·哈勃是高中田徑隊的明星運動員，在大學裡打籃球，帶領芝加哥大學獲得了其第一個聯盟冠軍。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·哈勃找到了一份在高中教西班牙語、物理和數學以及執教高中籃球隊的工作，但在他父親去世後，埃德溫·哈勃回到學校在芝加哥大學學習天文學學位。1917 年，戰爭爆發，哈勃加入了軍隊，在第一次世界大戰期間在歐洲服役。
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回到美國後，哈勃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，後來他在哈洛·沙普利離開後接管了天文臺。他繼續專注於造父變星，希望使用亨麗埃塔·勒維特發明的工具更好地測量宇宙。哈勃將注意力集中在仙女座旋渦星雲中的一顆恆星上，他在 1923 年將其命名為 V1。在幾周內，他觀察到這顆恆星亮度的變化，並測量了週期性，他確定它在最大亮度之間的週期是 31.4 天。利用這一測量結果，他估計仙女座旋渦星雲的距離超過 1,000,000 光年，這是一個位於我們星系之外的星系。他寫信給沙普利，沙普利回覆了一位同事，“這是一封摧毀了我的宇宙的信。”它並沒有摧毀一個宇宙，而是埃德溫·哈勃證明了一個比人們想象的要大得多的宇宙，其中充滿了像銀河系一樣的其他星系。今天，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·哈勃最偉大的發現不僅僅是宇宙的廣闊無垠，而是它正在以驚人的速度膨脹。這一發現是透過檢查來自星光的光波譜來實現的。
在地球上的某個黑暗森林裡，一團火在石頭圈的中央燃燒，一群人類圍著火焰。火已經成為人類身份的定義，它在人類歷史中出現得如此之早，甚至早於我們物種的起源，大約 100 萬年前，當時Homo erectus從非洲出發，走向更遠的地方。如果你曾經觀察過火焰，你就會注意到它不斷變化的顏色，黃色、紅色，以及在熾熱的餘燼中深藍色的甚至紫色的顏色。這些不斷變化的彩色火焰代表著火釋放的電磁輻射級聯，它加熱周圍的空氣，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，因為光波長越短，火焰溫度就越高。我們還可以透過仔細研究恆星發出的光譜顏色來判斷恆星的溫度。
如果鐵匠將一個黑色的鐵球放進火裡，他們會觀察到鐵球加熱時顏色的變化。顏色從黑色的鐵球開始，慢慢開始發出深紅色，然後是更亮的黃色，在更高的溫度下，鐵球會發出綠藍色，而在超高溫下，鐵球會呈現出淡紫色。檢查從“黑體”輻射的鐵球發出的顏色光譜，將證明隨著鐵球在火中加熱，球體發出的光的波長越短的趨勢。黑體是一個理想化的物體，當它被加熱或冷卻時會發射電磁輻射（它也吸收這種光）。
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熾熱的太陽表面，我們可以利用太陽自身的光線來測量它的溫度。我們還可以使用相同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很著迷，並在 1862 年創造了“黑體”輻射體的術語。基爾霍夫好奇的是，如果他用電加熱或激發氣體粒子，而不是像鐵球一樣的固體物質，會發生什麼？氣體在加熱時會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波長。例如，一個裝有氖氣體的密封玻璃罐會產生紅色和橙色的亮帶，而氬氣會產生藍色，以及其他波長的彩色光，汞氣會產生更藍白色的光。這些充氣電燈被商業化發展成霓虹燈和熒光燈，在非常離散的波長下具有各種各樣的顏色光譜。
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基爾霍夫進行了一系列實驗，在一個純化氣體的腔室中加熱一個固體的黑體，並注意到，在不允許透過氣體的光譜中，與加熱氣體時發射的波長相同。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條。根據光線穿過氣體粒子的不同，吸收的光波譜對於每種氣體都是獨一無二的。天文學家，例如埃德溫·哈勃在恆星光譜中觀察到了類似的吸收線。
事實證明，這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方式，這些氣體的吸收線在太陽光的頻譜中都有顯示。在基爾霍夫的實驗室工作的一位名叫馬克斯·普朗克的年輕科學家想知道，為什麼物體在非常高的溫度下加熱似乎沒有無限地減小波長。經過一次又一次的實驗，馬克斯·普朗克確定了一個值，將電磁輻射波長轉換為能量的度量。這個特殊的值被稱為普朗克常數 h。目前{{{1}}} 每赫茲，因此
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，作為該方程的函式，隨著波長的增加，能量會減小。普朗克常數是物理學和化學中非常重要的數字，因為它與原子的尺寸以及電子在原子核中軌道距離相關，因此普朗克常數在量子物理學中也很重要。該方程的重要性在於它允許直接比較光的波長和能量。請意識到，能量是粒子內部振動力的測量，換句話說，是熱量的測量。
從根本上說，重要的是要記住，電磁輻射（包括可見光和不可見光）是一種將能量傳輸到太空中的有效方式。當電磁輻射撞擊具有質量的粒子時，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，電磁輻射會增加其波長，同時將部分能量傳遞到粒子中。粒子會增加其振動運動（熱量的度量）。這個基本概念解釋了地球如何透過太陽光的轟擊獲得幾乎所有的能量。地球也透過放射性原子的衰變釋放電磁輻射來獲得一些能量，這些放射性原子是在超新星爆炸事件中形成的，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
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在大多數自然歷史博物館裡，都隱藏著一個黑暗的房間，裡面展示著各種看起來很普通的岩石。然而，這些岩石每天都會經歷房間的燈光開關迴圈，但吸引公眾注意的是，當房間陷入黑暗時，岩石會發光。這種發光被稱為熒光，它是由電磁輻射以光子形式的自發產生引起的。當光波或任何型別的電磁輻射撞擊原子，尤其是被固體物質中的鍵固定在原位的原子時，來自入射光的能量傳遞不會導致振動能量（熱量）的增加，而是轉換為電子場，導致電子能級的增加。隨著時間的推移，有時甚至在非常長的時間段內，電子會自發地下降到較低的能級，當它這樣做時，它會釋放一個光子。如果足夠多的原子受到入射輻射的影響，下降的電子態會釋放足夠多的光子，可以在可見光譜中看到，岩石看起來就會發光。請注意，入射光的波長必須攜帶高於可見光譜的能級，通常使用紫外線，但可能是更短波長的電磁輻射。
當你看到岩石的熒光時，這是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，從較高的能級躍遷到較低的能級，並釋放這些光子。事實上，放射性物質發光的原因是，周圍物質的電子能級釋放，這些物質受到這些放射性物質產生的高能量和短波長電磁輻射的影響。
還有許多其他方法可以激發電子到更高的能級，從而導致光子的自發釋放。當物體受到電磁輻射的影響時，科學家稱光子的自發釋放為磷光。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，它是由電子下降能級並釋放光子引起的，這是由於受到熱量的增加。最後一種熒光型別是摩擦發光，它是由運動或動能引起的。摩擦發光是在兩塊岩石（例如含有石英的岩石）互相撞擊時產生的，由此產生的閃光是由電子能級快速躍遷和下降，並釋放光子造成的。當電子脫離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 被原子核或原子中心中的質子吸引而束縛在原子中。電子錶現出負電荷 (−)，並被帶正電荷 (+) 的物質吸引，例如 質子。由 金屬鍵 組成的特殊材料能導電，因為電子可以輕鬆地在由金屬鍵連線的原子之間移動。銅、鐵、鎳和金都是良好的 導體，可以使電子運動。電子也可以透過極性分子（具有正負電荷極或側面的分子）移動。這就是為什麼電子可以透過溶解有鹽的水、活組織和各種溶解有極性分子的液體，以及為什麼觸碰帶電電流很危險，以及為什麼當你觸碰時會觸電的原因。
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。一個很好的例子是雷雨中的閃電，它是在帶負電荷的雲層和帶正電荷的地面之間電子的自由流動。電子沿著電線以電流的形式從負端流向正端。當電子沿著電線移動時，它們會產生一個電磁場，因此在這個無形場中放置的指南針會將它的針重新定向到這個磁場。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奇妙的發明，例如電動汽車中使用的電動機。當電子運動時，它們可以降到較低的能級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原理。
電子流是如何產生的？你如何發電？其實有四種基本的電力產生方法。
1. 電磁輻射或光，例如陽光。當光子撞擊電子時，它們會增加電子的能級。海因裡希·赫茲是最早證明這一點的人。當電火花暴露在紫外線束中時，火花中光的波長會從長波長變為短波長。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原理，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。材料的運動可以從材料中剝離電子，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，一種材料是絕緣體（這意味著它阻止電子在原子之間流動），而另一種材料是導體（這意味著它允許電子在原子之間自由流動）。電子會在導體材料的表面積聚，並作為電火花或靜電放電釋放。工業發電廠最常利用這種型別的電力生產，使用運動。大型磁鐵在導電材料（如銅線）的閉合迴路中旋轉，將電子吸入銅線，然後流出電線進入家庭和企業。大型旋轉渦輪機通常由熱蒸汽（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，這些動力使導電材料旋轉併產生電子。
3. 熱能。電力可以透過熱梯度產生，將一個加熱的表面放置在靠近一個冷表面的地方，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，在另一側產生電流。熱電發電的電力用於可穿戴裝置的電力生產，它利用人體的熱量梯度。它也用於從“廢熱”中發電，即由燃料燃燒（如內燃機或發電廠）產生的熱量，作為提高發電效率的輔助方法。這種熱能到電能的轉換可以讓你僅僅利用一杯咖啡或茶的熱量來給手機充電，正如安妮·馬科辛斯基最近展示的那樣，她在深夜脫口秀節目中展示了這項技術。
4. 化學能。電荷可以被積累並儲存在電池中。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，增加他觸碰萊頓瓶頂部時所受的電擊。由於這些瓶子排成一排，就像一排大炮，參考了軍事術語“炮兵”。萊頓瓶本身不會發電，但它提供了一種簡單的方法來儲存電子和電荷。
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，裡面裝滿了導電液體（通常是溶解了鹽的水），瓶蓋上放了一根釘子或金屬絲，確保外側的金屬不接觸瓶蓋上的金屬絲或釘子。使用一根杆和一塊布，可以透過傳遞一根帶電杆（在用布擦拭後積聚靜電荷）來向瓶蓋新增電子，電子會流入釘子（稱為 陽極，或 − 端）和水（稱為 電解質）。由於這些電子不能穿過玻璃瓶到達外表面金屬（稱為陰極，或 + 端），因此它們會積聚在瓶子中，直到瓶蓋（陽極或 − 端）和瓶子外部（陰極 或 + 端）之間形成迴路。如果這個迴路是由人構成的，他們會感到觸電。如果連線一根帶燈泡的電線，燈泡就會亮起來。
現代電池可以透過用一層允許電子透過但不能透過液體中分子的膜隔開兩種不同型別的液體電解質來發電。因此，隨著時間的推移，電子會在其中一側積累（變得帶負電荷），而在另一側（變得帶正電荷）的兩個電解質室中被消耗。有些電池，一旦電子返回另一側，就會耗盡，而另一些電池則允許對電池施加反向充電（電子以相反的方向流動），這會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，分子會失去它們捐贈和接收電子的化學能力，即使是可充電電池也會有一定的使用壽命。然而，新技術正在延長電池壽命，特別是對於包含高活性元素鋰的分子。
化學能最常透過放熱化學反應（例如汽油燃燒）產生熱量，然後利用熱量透過之前提到的方法之一發電。
當電子沿著導電材料以單一方向流動時，這被稱為直流電或 (DC)，這在電池中很常見。然而，電子經常透過交流發電機，它產生一種沿著電線以波浪形式來回交替流動的電子流，這被稱為交流電 (AC)。通常，你家中的大多數電器使用交流電執行，因為它在透過金屬線長距離傳輸持續能量流方面更有效率。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生產的最終原始來源。電能可以以化學能的形式長時間儲存，例如在電池中，也可以儲存在以前使用光合作用產生碳氫化合物的古老化石生命形式中，這些碳氫化合物在漫長的地質時期內分解成天然氣、汽油或煤炭。這些“化石燃料”可以燃燒，在放熱反應中產生熱量，從而透過熱量和運動發電。
科學家們一直在爭論宇宙的理論本質，特別是關於可用能量的長期趨勢。開爾文勳爵和經典的熱力學定律認為，由於熵，宇宙中的能量正在緩慢耗盡，最終宇宙將面臨“熱寂”，屆時所有能量都將耗盡。其他科學家，如愛因斯坦，發現了物質和能量之間的聯絡，他認為物質和能量之間存在能量流的平衡，從而延長了宇宙的生命。而最近，科學家們推測，未來能量將不斷增加，最終導致“大擠壓”或“大反彈”，所有物質都可能重新回到宇宙中，並可能迴圈回到另一次大爆炸。這些宇宙學假設雖然很有趣，但迄今為止從科學證據中並沒有得到太多支援。然而，有證據表明宇宙正在不斷快速膨脹，這表明正在膨脹的宇宙正在隨著時間的推移而緩慢損失能量，就好像宇宙是一個從大爆炸引發的長時間的大規模爆炸。
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，他能夠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。一顆恆星或星系距離地球越遠，它的可見光譜就越向紅色偏移，以至於吸收線略微向更長的波長光偏移。在測量恆星光譜的這種偏移時，哈勃繪製了這種偏移的長度與觀測到的恆星或星系的距離之間的關係圖，發現距離恆星或星系越遠，觀察到的偏移越大。
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，它是衡量宇宙膨脹速度的一個量。哈勃首先使用千米每秒每百萬秒差距（百萬秒差距）的符號發表了他對這種膨脹的估計。一個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。天文學家對他的最初估計提出了質疑，在接下來的百年中，關於哈勃常數的精確值一直存在爭議。
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。在繞過地球大氣層後，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，從而可以更精確地測量該常數，發現該常數為73.8 ± 2.4 km/s/Mpc。每百萬秒差距（約326萬光年）的距離，宇宙的膨脹速度都會增加73.8公里/秒。一顆距離地球100百萬秒差距的恆星，其膨脹速度將達到地球的7,380公里/秒。
而另一臺以馬克斯·普朗克命名的望遠鏡，即歐洲航天局於2009年發射的普朗克衛星，則觀測了來自宇宙的不可見微波電磁輻射，這些輻射也表現出紅移，並發現宇宙的膨脹速度略慢，為67.8 ± 0.77 km/s/Mpc。這個測量值是恆星之間不斷增大的距離。
想象宇宙的一種方式是將其視為正在膨脹的麵包麵糰，而恆星則是麵糰中散佈的巧克力片。隨著麵糰膨脹，麵糰中每個巧克力片之間的距離都會增加。這種膨脹的速度可以超過光速，因為沒有任何東西在移動那個距離，而是距離本身在點之間膨脹。
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遙遠天體（大熊座中的GN-z11星系）的發現，該星系距離地球112,738百萬秒差距（紅移為11.1）。地球和這個遙遠的GN-z11星系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最後一次共享同一個空間是在129.40億年前，而它們之間的距離正在不斷加速膨脹。如果我們將這個宇宙膨脹過程倒過來，我們會發現宇宙的估計年齡約為135億年，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，這種宇宙膨脹速度在1米距離內的表達方式是每31.7年膨脹一個原子的寬度。自從地球形成至今的45億年裡，宇宙的膨脹只增加了每米1釐米。然而，在廣闊的宇宙空間中，這種宇宙膨脹是相當大的。
史蒂芬·霍金在他2018年去世之前的一次演講中寫道：“宇宙膨脹是20世紀乃至任何世紀最重要的智力發現之一。”事實上，從生活在地球上的人的角度來看，就好像夜空中所有的恆星都在向你飛奔而去，就像孩子們玩的一種宇宙追逐遊戲，而你是“它”。這個正在膨脹的宇宙是太陽系在宇宙中完全孤立的決定性證據，也證明了地球的極其寶貴和岌岌可危的本質。
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