论光学的发展和对光的本性的认识

摘  要：无论是自然光还是人造光，光的物理性质都在它与人类的互动中起着重要的作用。虽然在光的波动性和粒子性之间还存在一种尚未解释的二元性，但我们确实了解了许多影响生物的光的特性。在这里，我回顾了光的历史和它的特性，特别是那些影响人类健康的特性。

关键词：光;太阳光;光的性质

一、光和阳光的历史

宇宙开始时，光也开始了。150亿年前的宇宙大爆炸是在几十亿度的温度下发出的强烈的光爆炸。根据方程E = mc2，其中一些光能被转化为物质，所以光也对物质起了作用。光在宇宙爆炸的0秒诞生了，并开始形成基本粒子。三分钟后基本粒子形成第一个原子核——氘。三十万年后宇宙背景辐射开始了：光充满了宇宙。第一百亿年我们的太阳诞生了。一百一十亿年地球上出现了生命，很有可能是受到阳光的促进。一百五十亿年（也就是如今）阳光维持并影响着地球上的生命。这便是光进化的步骤及其对生命的影响，包括宇宙中太阳的形成过程。今天，我们仍然生活在一个由阳光主导的世界。

二、深入了解光的特性

人类很早就认识到了光的重要性，但对它的性质的认识是一个非常缓慢的过程。困扰人类最关键问题是光是波状还是粒子状。在艾萨克·牛顿将白光穿过玻璃棱镜并将光分解成不同颜色后，粒子图像占据了主导地位，他在1704年解释说，这意味着光是粒子。但在1801年，英国科学家托马斯·杨发现，两束光相互干扰会产生一系列亮区和暗区，这意味着光是波状的。1873年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出光是一种电磁波，由电场和磁场耦合而成，以3x108  m/s的速度传播。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了量子理论，进一步加深了对量子的理解。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦扩展了普朗克的思想，证明光是量子化的，每个离散单元（后来称为光子）携带的能量为E=hf（h是普朗克常数，f是光的频率）。1948年，理查德·费曼开发了量子电动力学来解释光子如何携带电磁力。但量子电动力学并不能解释这样一个事实，即尽管光确实是类似粒子的，但它也是类似波的——诺贝尔奖获得者费曼称之为“唯一的谜团”，即量子力学核心的谜团。

三、光的基本性质

尽管在光是粒子状还是波状上存在悖论，但这两种方法都有助于将光及其效应系统化。波的图像集中在波长和频率上的，它们符合方程c = fλ。其中c是光速（真空中为3x108 m/s），λ是波长。波长是定义电磁辐射不同区域的便捷方法，从无线电波的极大值到X射线和伽马射线的微观值都可以用波长来区分。具有代表性的波段有：X-ray波长为1nm、紫外光波长为100-400 nm、绿光波长为550 nm、可见红外光波长为750 nm、红外线波长为1000 nm、调频收音机的波长为3 m。

光子的能量可以用eV和千卡/摩尔为单位，可以用来理解光如何影响生命系统。当光与一个系统相互作用时，每个光子将能量传递给一个或多个组成分子。如果能量大到足以破坏分子键，则会导致生物分子结构和活性发生严重和潜在的不利变化。生物分子中的键强度一般在3-10 eV或70-230千卡/摩尔之间，对应的光子波长为400-1000 nm。因此，无线电、红外和红色光子不太可能造成破坏。但紫外线（UV）光子携带的能量足以对其造成破坏。x射线光子尤其有害，因为它携带的能量足以破坏大量的分子键。

四、阳光及其对人类的影响

由于光线既能产生有益的结果，也能产生不良的结果，因此有必要考虑阳光对人体健康的作用。我们的太阳只是一颗中等大小的恒星，但它产生能量的速度我们很难理解。作为一个表面温度接近6000开尔文的极热物体，太阳表面每平方米辐射62兆瓦。当光线到达地球时，这种能量虽然会减弱，但能量仍然很大：大气层外表面的能量为1.4千瓦/平方米。此外，作为一种所谓的“黑体”辐射体，太阳的光线覆盖了从无线电波到可见光到紫外线和x射线的整个电磁光谱范围。

这个光谱的短波部分对人类有潜在的危险。但是，到达地球表面的短波光线要比太阳产生的光线少得多，因为我们大气中的臭氧，会选择性地吸收紫外线和更短的波长。然而，一些紫外线确实会照射到地球上，而且有大量的证据表明人类患皮肤癌的几率与紫外线照射有关。

太阳紫外线的水平取决于许多短期和长期的因素：如臭氧层的状态、局部大气状况、烟雾、全球大气条件、火山活动、在地球表面的位置、一年中的時间、季节、太阳活动等。这些相互作用的复杂性可以通过研究美国和欧洲的阳光分布地图来看出，它们远比简单地依赖于纬度复杂得多。在研究太阳紫外线和人类疾病之间的关系时，需要仔细考虑这种复杂性。

五、人造光及其对人类的影响

人造光如果包含过多的紫外线辐射，也会对生物产生直接的伤害。还有一种更微妙的可能性，在工业化国家人们在夜间暴露在足够的人造光下，以抑制或扭曲正常的昼夜节律。其会抑制褪黑激素的产生，褪黑素通常由松果体在黑暗的几个小时内产生。由于褪黑激素在保护DNA免受损害方面发挥作用，并具有其他生理功能，因此，人造光的流行可能会导致诸如乳腺癌等疾病的严重后果和其他不良后果。

六、总结

光的波粒二象性继续困扰着我们，但对人类健康产生不利影响的光的物理特性可以清楚地阐明。光子理论说明了为什么短波长的光比其他类型的光对人类的伤害更大;当然，一般性结论忽略了其他因素，如组织和器官对光的选择性吸收，以及内部修复机制的作用。即使在穿透地球大气层后，阳光携带的紫外线能量也足以造成生物损伤。阳光中紫外线的数量和光谱分布取决于多种因素，要进一步研究暴露在阳光下的时间和内分泌功能之间可能存在的联系。

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作者简介：李忠友（2001.1-），男，汉族，安徽阜阳人，本科在读。