燈泡里的光子是怎么跑出來的？

喬亮

廣東讀者張菁問：所有的光都具有波粒二相性嗎？那燈泡里面的光子是怎么跑出來的？為什么燈泡的光不熱，太陽的光就熱呢？

答：所有的光都具有波粒二相性。在2012年11月出版的《科學》雜志中，英國布里斯托大學的物理學家阿爾貝托·佩魯佐利用光子分離器使一個光子糾纏另一個光子，通過對第二

個光子的檢測，證實了光子同時表現(xiàn)出波和粒子的特性。

第二個問題：從經(jīng)典角度講，任何粒子，只要它有一定的動能，都有一定的穿透力射出的子彈在一定射程內(nèi)能擊穿木板，相反，“強弩之末，勢不能穿魯縞”。這些現(xiàn)象用高中的“壓強”概念就可以解釋。光也是一種粒子，非靜止的光子的確具有動能和光壓。

但是，光和物質(zhì)的作用，一般是從光子（或電磁波）與電子、原子、分子作用的角度來考慮的，比如可見光能穿透厚厚的玻璃，但不能透過一塊薄薄的黑布。這種差別顯然無法從“子彈穿木板”的角度來解釋。這里要考慮的是光子被吸收的多少，即光子“消逝”的多少。能穿透玻璃，是因為被吸收的光子很少。光子是粒子的，但是玻璃的微觀結構是很稀疏的、間距很大的格點陣列，對光子的吸收很有限。

要進一步理解這個問題，需要理解光子是一種能量量子化的概念，它的行為要用量子力學來描述，而不能用經(jīng)典圖像來看待。比如，它是什么形狀？體積有多大？等等。

量子力學中，用波函數(shù)來描述光子這樣的微觀粒子比較好，波函數(shù)模的平方就是光子出現(xiàn)概率高的地方。在真空中，波函數(shù)模的平方在一條直線上出現(xiàn)極大值，所以真空中光沿直線傳播。在介質(zhì)（如玻璃）中，光子的能量被介質(zhì)原子（離子、分子等）吸收，同時，介質(zhì)原子（離子、分子等）躍遷到高能級上，它有一定概率再釋放光子，整個過程是個動態(tài)平衡的過程，總的效果是波函數(shù)模的平方在穿透玻璃的地方出現(xiàn)極大值。光子跑到了玻璃的另一面，也就是說，光子穿透玻璃。同時，如果了解量子電動力學的方程后，會發(fā)現(xiàn)波函數(shù)模的平方極大值出現(xiàn)的地方與幾何光學（折射定律、反射定律等）相一致。

以波的觀點來看就非常簡單了，可見光可以通過空氣——玻璃界面折射的方式穿透燈泡的玻璃壁。

第三個問題：首先，太陽光比普通光的照度大，也就是說相同粗細的光束，太陽光含有更多的能量。其次，太陽光中的紅外線含量比較高，紅外線占太陽光能量的43%，而人體感覺到熱主要是紅外線的作用（人眼是看不到紅外線的）。由于燈泡的紅外線發(fā)射比較弱，所以感覺不到熱。另外，白熾燈（燈泡）的光中還是有一部分紅外線的，所以白熾燈的熱效應比不產(chǎn)生紅外線的冷光源熒光燈強，也因此，效率沒有熒光燈高。endprint