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光速是最快的,为什么光没有在空气中摩擦生热后燃烧?

2025-01-08心灵

在广义层面,光是有可能「在空气中摩擦生热后燃烧掉的」。

摩擦力的本质是电磁力,在微观层面,主要由分子/原子之间的电荷引力/斥力所综合形成的。

宏观的动能,在分子/原子碰撞的过程中,会转移给原子,原子动能增加就会发热。

发热之后温度升高,热辐射就会增加,从而释放出能量更高的光子。

这是因为任何有温度的物体都会通过热辐射释放光子,而摩擦使得动能增加的原子在碰撞过程中,传递了更多的能量给电子,使得电子轨道跃迁到了更高的能级,从而向低能级跃迁时,释放出了更高频率/能量的光子。

当然除了摩擦能生热外,还有摩擦发光、摩擦生电、摩擦发声等等。

那光经过物质,在微观上又会发生什么?

我们知道,原子其实是极其空旷的,如果把原子放大到一个房间的大小,我们才能刚好看清原子核。

当光穿过一个原子时,其实是足够空旷的,它不仅撞上原子核的概率很低,甚至撞上电子的概率也并不高。

然而,宏观物质往往是10^23数量级以上个数的原子组成。

一个原子再空旷,如此数量的累计叠加,也会使得光子如同穿过一片电子海。

当原子之间的空隙足够大时,光子有可能直接穿过,例如光穿过空气。

当原子之间的排序充满秩序,恰好存在特殊的缝隙,光子也而可能直接穿过,例如一些晶体。

除此之外,还有一种特殊的情况,光子会无视电子直接穿过。由于电子并没有体积,当一个光子的能量都不符合电子能级跃迁的能量,也没有其它作用机制实,同样会直接无视穿过。

除了直接穿过的,剩下的光子将不可避免的与原子发生作用。

这个过程,会出现多种可能:

首先是能级跃迁,电子会吸收光子发生跃迁。

电子刚好吸收掉光子,跃迁到新的轨道。

当光子被完全吸收掉,电子跃迁后,整体能量增加,这个能量可能以多种形式存在,原子与原子之间的化学能、电能、声能(机械波)、或者单纯提升分子动能,从而导致温度的升高,增加热辐射,再从激发态自发跃迁到更低轨道。

这背后正好应对四种宏观效应:光化学效应、光电效应、光声效应、光热效应。

除了这些外,光还会发生散射,以及折射和反射。

折射和反射其实是非常典型的宏观概念,通常认为,在微观层面它们是大量散射叠加的结果。

而散射,则是光子进入介质后,使得内部的正负电荷产生电偶极矩,电偶极矩再发射出光子而形成的。

除了以上的常规散射外,还可能发生康普顿效应(用X射线照射物体,散射出来的X射线波长会变长)、拉曼散射(光子将与分子振动能级发生相互作用)等。

以上这些所有的效应,同样无法脱离分子/原子之间电荷引力/斥力的综合作用。

如果好巧不巧,高能光子恰好轰击到了原子核,还可能发生核反应。

当然,从某种层面来说,如果强行给与宏观物质足够大的摩擦能量,同样可以引起核反应。

整体上来说,无论物质与物质的摩擦,还是光与物质发生的作用,主要都是在电磁力的范畴,虽然涉及的原理各不相同,但从底层逻辑上来说,都是电磁力,而且形式也非常的相似,尤其是在各种形式的能量转化上。

所以,我们可以从广义的角度认为,光是有可能「在空气中摩擦生热后燃烧掉的」。只不过光作为一种纯粹的能量,在这个有温度就会有热辐射的宇宙法则里——

它转瞬即逝,同时也生生不息。