PDF《物理学咬文嚼字之七十七》

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6 期 物理学咬文嚼字之七十七 黑、 暗的物理学 曹则贤? (中国科学院物理研究所 北京 100190) 善黑者有光…… ――李宗吾《厚黑学》 黑,真黑! ――小品《打工奇遇》 摘要光与黑暗都是物理学的主题.

黑体辐射、黑洞、超黑材料、暗电 流、暗场像、暗物质、暗能量与暗光子等诸多概念让物理学的天空一片黑暗. 2016-05-29收到 ? email: zxcao@iphy.ac.cn DOI: 10.7693/wl20160609

1 引言 人类自身的智识从一团混沌中 渐渐萌生,于是人们很早就怀疑这 天地也是诞生于混沌中.这样说, 是有各种古文明的记忆作支撑的. 《幼学琼林》的 混沌初开,乾坤 始奠.气之轻清上浮者为天,气之 重浊下凝者为地 ,可视作动态宇 宙模型之发轫. 混沌,英文为 cha- os,来自希腊文Χ?ο?.根据希腊神 话,Χ?ο?是原初的存在物 1) ,自其 中产生了Erebus(darkness) 和Nyx (night).当然了,天地剖分,中间 还必须要有光. 《圣经》开篇第一 句 The earth was formless and void, and darkness was over the sur- face of the deep, and the Spirit of God was moving over the surface of the waters. Then God said, '

Let there be light'

;

and there was light. God saw that the light was good;

and God separated the light from the dark- ness… ,直言混 沌初开时即将黑暗与光明分开了.在古埃及 壁画里,莲花的形象是 下黑上 白 ,也是寓意宇宙由黑暗转为光 亮.可见,在古代人的心目中,清 与浊抑或黑暗与光明的分剖,是宇 宙创生时必然经历的过程2) . 这个世界最神奇的地方,是有 光.光是物理学最重要的主题, 光 也是物理学所借重的最基本手段. 可惜的是,我们对光的认识还仅仅 处在初级阶段,还没有建立起系统 的theory of light;

在中文语境中, 我们的光学还是对应英文的op- tics3) . 没有光的地方是黑暗的天 下.黑暗,黑和暗很多时候是分开 来用的,有细微的区别.暗指(整体 环境的)无光或者光线很弱,如暗 夜、暗室,暗之对立面为明;

而黑 指具体对象因极度缺少光线造成的 颜色或者外观,如黑箱、黑幕等, 黑之对立面为白.在英(德)文中, 暗对应 dark(dunkel),黑对应 black (schwarz),其间分别约与汉语同. 物理学中充斥着大量涉黑涉暗的概 念和问题,如黑体辐射(black body radiation)、黑洞(black hole),黑色 材料、奥伯斯佯谬(dark night sky paradox)、暗电流(dark current)、暗场像(dark field image)、 暗物质1) 中文说混沌初开时,清气上升,浊气下降.有趣的是,西文中的chaos 和gas 是同源词.― ―笔者注 2) 古文明中所谓的宇宙创生,实际所指都是远古时期地面上发生的事情,比如见于各文明传说中的大 洪水.所谓黑暗与光明的分离,我觉得它反映的是人类逐渐开启心智的过程.人类对自身有了智识之前 世界的记忆是一片昏暗,小孩子对自己记事之前世界的图像也是一片昏暗.― ―笔者注 3) Optics,其希腊语词源为?πτικο?(眼睛的、视觉的)或者?πτικ?(外观),见optic nerve(视神经),ophthal- mology(眼科).― ―笔者注 物理学咬文嚼字 ・ ・

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6 期图1 可见光范围之外的光,其视觉效果是黑色 图2 体验不同的黑.左图:黑色但反光的石墨晶体;

右图:恐怖的超黑材料 (dark matter)、 暗能量(dark ener- gy)、暗光子(dark photon),等等.

2 黑色与超黑材料 一个物体对我们来说是黑的, 只是指来自它的光不足以或者不能 引起我们的视觉.这有两个原因: 1)来自它的光太少,黑夜中一切不 发光的物体都黑乎乎的.此时的黑 和暗同义;

2)来自它的光不在我们 眼睛的工作波长范围内.关于后 者,一般认为人眼的工作波长范围 在390~780 nm之间,此波长范围内 的光能让我们产生视觉,因此被称 为可见光(visible light).其实,不同 动物的可见光范围都差不多,因为 这是由眼睛工作方式 4) 的物理学所 决定的.光要在视网膜上产生光电 效应,所需光子能量约为 1.5 eV, 这大约对应800 nm的波长;

若光子 的能量大于3.0eV,这大约对应400nm 的波长,则这样的光子能轻松打断 我们皮肤中 H,C,O,N 等原子之 间的化学键,造成损伤.可见光波 长范围两侧的光造成的视觉效果是 黑,常说的可见光谱带,其两侧的 颜色就是黑的(图1).其实,对短波 长一侧的光,我们就不该试图用眼 睛看它,正确的策略是躲远点 5) . 在可见光照射环境下我们能看见一 个黑的物体,是因为我们没看见它 ――是同可见的明亮背景之间的衬 度让我们的大脑解读为看见了它. 对于普通的物体,如何在可见 光照射环境下看起来为黑色呢?这 要求它不发射、不透过、不反射可 见光.不透可见光意味着材料对可 见光有强烈的吸收,则材料的能隙 要小于1.5 eV. 比如硅材料,其1.12 eV的能隙对应红外光,对可见 光硅具有较强的吸收,则仅从透光 的角度来说,硅是黑的.石墨的带 隙约为-0.04 eV,对红外光是全面 地强烈吸收,因此它更黑.但是, 仅考虑吸收是不够的,光的吸收和 反射是同步的过程.石墨晶体对可 见光有强烈的反射,高品质的石墨 晶体有金属光泽(图2).如要把窄带 隙材料黑化,就要求将其表面无序 化、粗糙化.近年来关于超黑材料 (super black materials)的研究取得了 巨大进展,所获得的超黑材料对可 见光的反射率几乎为零,其黑色艳 得邪恶(图2). 超黑材料的出现,对旧有的光 学也带来了挑战.一个例子是,对 于经典的双缝干涉、单缝衍射等实 验,因为所谓的理论解释是仅将透 光的狭缝或圆孔当作新的波源(惠 更斯原理),我们也许会认为环绕 狭缝或者孔的材料应该是绝对不透 光的,可以理想化为黑物质.但是,有实验表明,通过超黑材料中 的圆孔未能获得常规的单缝衍射圆 环状花样(图3).也许超黑材料意味 着某种新光学,或者说会带来对原 有光学知识的修正.期待未来的深 入研究会为我们带来对光学更深入 的认识.

3 黑体辐射与黑洞 对物理学有重大影响的黑概念 要数黑体辐射.所谓的黑体,是一 个理想的物理对象,它能完全吸收 从任何方向射来的任何频率的光(不 限于可见光).黑体辐射问题指黑体 同环境处于热平衡(因此具有温度) 时,其辐射能量密度随频率或者波 长的分布.对这个问题的研究导致 了光能量量子的概念从而开启了量 子力学时代[1] .笔者在学习黑体辐 射时,脑子里一直有一块黑乎乎的 物体在光芒环绕的环境中发光的形 4) 有的蛇会采取两种方式获得视觉功能.除了有一对类似人类眼睛那样的眼睛以外,它在眼睛前面有 一对凹窝,是接收红外辐射的,工作原理应该类似人类的夜视仪.― ―笔者注 5) 在可见光范围内的光若是太强了,眼睛也会主动地进入保护模式― ―它先闭合瞳孔,实在不行就阖 上眼睑.― ―笔者注 ・ ・

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6 期象.实际情况是,黑体辐射是指内 壁为黑体的腔体处于热平衡时,腔 内电磁辐射的谱分布.黑体辐射的 德语原文为 Hohlraumstrahlung,字 面为空腔辐射,就没黑体的事.黑 体辐射问题源自对电灯泡和炼钢炉 内发光谱与温度关系的研究,愚以 为更可能的模型是北欧人熟悉的壁 炉――模型化后的测量对象为内壁 黑乎乎的、有一个漏光小洞的空腔 (cavity with a hole).黑体的对立面 为白体(white body),是能将任何频 率的入射光都完全地、均匀地反射 到所有方向上的物体 6) .用白体物 质作为内壁的腔体,可以用于对发 光积分强度的测量――经过足够多 次的反射,发光体向各个方向发出 的光最终都会落入探测器中. 与黑体字面上可比拟的概念是 黑洞(black hole).黑洞是个宇宙学 概念,假设光的路线是广义相对论 时空中的测地线,则大质量物体附 近的弯曲时空可能使得所有飞向黑 洞的光子终结于该物体,或者自该 物体出发的光不能够逃离.至于黑 洞内是否有发光的过程,或者终结 于黑洞的光是否被吸收了,那就不 知道了.有人说黑洞是个热力学的 黑盒子,还有所谓黑洞有毛无毛的 讨论,但黑洞作为用广义相对论捏 合到一起的引力与电磁学的对象, 其上是如何体现热力学与电磁学和 经典力学的概念自洽的,笔者不 懂,此处不论!

4 奥伯斯佯谬――天空为什 么是暗的 人类的光明与黑暗交替的体验 来自太阳的起起落落.每天太阳出 来以后,大地上一片光明;

日落 了,大地的统治者就变成了黑暗. 一日之间的明暗交替是地球上的常 态,人类顺着天地合一的路子也就 养成了日出而作日落而息的习惯. 我总觉得,日出而作日落而息可能 是动物身上保持的植物甚至更低级 生命的习惯.那些夜行的动物估计 是革命者,叛逆出了新的行为方 式,它们一定出现得很晚,且源于 艰难环境下的另辟蹊径.低等生命 体内过程的动力源泉是阳光,等到 夜间,原初动力源关闭,低等生命 体内的过程就只剩下靠化学能能 够驱动的过程,大部分的过程自 然就歇息了.往远了说,光照作为 原初的动力源泉在各种物质中都会 引起过程,只有因为光照引起的激 发态在光照停止时仍能维持一些复 杂过程从而渡过慢慢长夜,这样的 体系才算是有生命的,这或许才是 生命的物理学定义 7) .不说了,扯 远了. 我们习惯了日出日落带来的明 暗交替,可偏偏某一天我们的天文 学里面出了 天空为什么是黑的 的奥伯斯佯谬,即所谓的 dark night sky paradox .早在哥白尼时 代,人们就注意到,若宇宙是静态 的、无穷且大尺度上均匀的、含有 无穷多恒星的宇宙,则从地球上看 过去的任何视线都会终结于某个恒 星,天空应该总是亮的才对.这和 我们所处的昼夜交替的现实有矛 盾,于是就有了用德国天文爱好者 Heinrich Wilhelm Olbers 命名的悖论.估计我们经历昼夜交替的现实 应该不会错得离谱,比较而言应该 是那个关于宇宙结构的假设不那么 正确.诗人爱伦坡就建议将宇宙 模型中的宇宙修改为有限大小的;

进一步地,由于宇宙年龄和光 速的有限性,地球可见的空间内只 有有限多的恒星,其给我们送来的 光和我们自家的太阳相比是远远不 够的.其实,关于宇宙模型,均 匀性也是个含混的词,均匀性的 尺度是多少?如果宇宙均匀性的 尺度远大于太阳系,则我们头顶 上有个太阳这件事就是宇宙中的 偶然.我们的暗夜本身就提供了 许多关于宇宙模型应该如何正确 的暗示. 6) 物理学上还有白噪声的说法,指强度与频率成反比的连续谱信号,其类比的是白光,因为白光粗略 地可看作是包含各种频率的可见光.― ―笔者注 7) Only when a system was able to sustain sufficiently well-developed dynamical processes that can go through the dark night with the absence of sunlight, could it be in a sense a form of life. ― ―笔者注 图3 利用超黑材料中的圆孔获得的衍射光斑(左),未能表现出用常规材料得到的圆 环状花样(图片来自互联网) ・ ・

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6 期5暗概念系列 在物理学中,暗(dark)一般指光 的缺少,暗+名词构成的概念基本 上完全可以按照 暗室 的模式来 理解.比如暗电流(dark current), 指CCD等感光器件在完全没有光照 的情形下仍有一些小的电流.暗电 流来自耗尽层中随机产生的电子或 者空穴,构成感光器件的背景噪 声.又比如暗场像(dark field im- age),是如下成像方式的结果:未 经散射的光(电子)束被排除在成像 机制之外,这样样品周边场地(field) 一般来说在图像上就是暗的.暗场像的对立面是明场像(bright field image).这些场合涉及 到的暗,如同开尔文爵士的 物理 学上空的两朵乌云(two dark clouds over physics) ,还是不同程度地允 许光线露面的. 在宇宙学中出现的暗概念, 暗 不................