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第16章 光(4)

说到蜃景,我们可以了解一下它的两个特点。蜃景的第一个特点是它通常在同一地点出现,比如美国的阿拉斯加上空就是经常出现蜃景的地方。蜃景的第二个特点是它通常在同一时间出现,比如我国蓬莱每年的5~6月份就会出现蜃景,俄罗斯齐姆连斯克附近则经常在春天出现蜃景,美国阿拉斯加在6月20日以后的20天内常常会出现蜃景。由于蜃景有这两个规律,因此在适当的时间和地点,想看蜃景的朋友就可以观看到绚丽的海市蜃楼。

蜃景并非现在才出现,它早在很多年前就已经引起了世人的关注。西方的神话中可以看到蜃景,在那里它是魔鬼的化身,死亡和不幸都因它而起。蜃景在我国古代则是仙境,秦始皇和汉武帝都曾派人去海上寻找这个仙境。现在,科学技术已经非常发达,我们对蜃景已经有了一个正确的认识。蜃景不是魔鬼,也不是仙境,它只是地球上的物体通过反射产生光,光再经过大气的折射形成的一个虚像。

地理位置和气象特点等因素对蜃景的形成都有影响,气温的反常分布也是蜃景形成的重要条件,下面我们通过下蜃的形成来对此进行说明。在炎热的夏季里,沙漠里面烈日曝晒,沙土在太阳的曝晒下变得灼热无比。因为沙土很难散热,所以那里的温度便很快地上升。当沙土附近的下层空气温度上升到一定高度时,上层空气的温度仍然保持着极低的温度,气温的反常分布就得以形成,于是接近沙土的下层空气密度小,远离沙土的上层空气密度却很大,这样就形成了下层小上层大的空气折射率。远处较高物体会反射出光来,光从上层的密空气进入下层的疏空气时就产生了折射,于是人们从一定角度看过去便能看到下蜃了。

发光的生物

一说到发光的生物,大家马上会想到萤火虫,萤火虫是最常见的发光生物。但是除了发光的萤火虫之外,还有许多生物都能发光,这些生物包括深海里的鱼类,它们利用光来谋生。有些渔民经常在夜晚进行近海工作,他们在工作的时候经常看到海面上有光带,这些光是由什么发出来的呢?这是一些藻类发出的光,这些藻类在受到惊扰时会发出光来,它们在繁殖时发出的光尤为耀眼,那个时候整个海洋好像都燃烧了起来。除了这些发光生物外,水母、珊瑚和蠕虫等都会发光。不同的生物发出的光的颜色不同,这些光有红色的,还有蓝色、绿色和黄色等颜色。

生物发光都是有一定目的的,那么生物发光到底有哪些种类呢?

对此我们进行了仔细的划分,并将生物发光分为两大类。

生物发光的第一类是被动发光,如某些植物会发出微弱的红光,这些红光是光合作用剩余的光,这种光对植物到底有没有什么作用呢?现在这个问题还没有答案,但人们通常认为这种光没有什么作用,它只是一种自然发光,就像涂有荧光物质的材料经强光照射后,再将其置于黑暗中会发光那样。

生物发光的第二类是主动发光,现在科学界还未将这类发光的原理全部弄清楚,但是主动发光都是有特殊用途的,科学家们对于这一点很肯定。为了维持生命的正常进行,生物一般都尽可能避免能量的消耗。大家都知道,光事实上是一种能量,那么主动发光便是一个消耗能量的过程,如果不是为了生存,生物是不会主动去消耗自身能量的。当然有些植物不会自己发光,但它会对自己身上的细菌加以利用,让这些细菌成为自己发光的武器。

发光是生物的一种特殊行为,它在生物与生物之间起到了通讯的作用,下面我们来看看生物发光有哪些用途。

(1)求偶。大家非常熟悉的萤火虫就是利用发光来寻找配偶,它们寻找配偶的过程是这样的。雌性萤火虫蛰伏在草丛中发出微弱的光,雄性萤火虫发现了雌性萤火虫微弱的光后会发出明亮的光来进行回应,如果雌性萤火虫再次发出微弱的光,那么这次求偶过程就算成功了。

(2)警告。大家都知道,动物为了生存会有自己的一个势力范围,它们在这个范围内捕捉食物维持生存,这个秩序是同种生物自然默契的秩序,它们不会轻易破坏这个秩序。以一种鱼为例,如果其他鱼进入了自己的势力范围,这种鱼便会主动发光警告入侵者,让入侵者迅速离开自己的领土。

(3)捕食。深海中的许多鱼都有发光器,如果有小动物从它们身边游过,这些鱼便会主动发光来迷惑小动物,有些小动物看到这些绚丽多彩的光,便产生了强烈的好奇心,于是主动靠近发光的鱼,最后成为发光的鱼的食物,而这些发光的鱼便依靠这个绝活来获取食物。

生物发光的实质到底是什么呢?科学家为我们提示了其中的奥秘。1885年,萤火虫的荧光素和荧光素酶被提取出来,这就证明了萤火虫的发光实质上是一种化学反应。经过众多科学家们的努力,萤火虫发光的原理现在已经完全弄清楚。化学发光的物质有基态和激发态两种能态,基态物质的能级较低而激发态物质的能级较高,激发态物质很容易释放能量回到基态,当激发态物质释放能量时便形成了生物发光。

如果要使一个物体发光,只需要给它足够的能量,让它从基态变成激发态,再将它的能量释放出来。不过生物的发光并非简单的能量释放过程,这还需要生物体内的酶的参与。酶是一种高效率的催化剂,它可以促使生物体内发生化学反应,从而给发光物质提供足够的能量,它还可以保证生物发光消耗的能量尽可能少,并且可以保证发光的强度尽可能高。

通过科学家的研究,很多生物的发光机制都已经揭示出来,现在绝大多数生物的发光机制是上述的机制。只是在有些发光的腔肠动物体内,催化酶并非荧光素,而是光蛋白,如发光水母就是用绿荧光蛋白作为催化酶的。

前面我们说过,生物主动发光的作用是通讯,动物可以通过眼睛来捕获同类发出的光信息,但是如果这种动物没有眼睛,那么它们怎样来接收光信息呢?针对这个问题,科学家们进行了深入的研究,下面让我们来看看科学家们所进行的研究。

为了尽可能地保存能量,动物会非常经济地发光,有些生物的发光是一种非常弱的光,弱到我们人的眼睛根本感觉不到,只有通过仪器才能检测到。水蚤是一种常见动物,但是我们原来并不知道它是一种会主动发光的动物。科学家们为了测到水蚤们微弱的光,用不吸收紫外线的石英玻璃杯盛上水,再把它们放进去。科学家们假定水蚤的发光是独立的,也就是说水蚤们发出的光可以叠加,光会随着水蚤数量的增多而加大。科学家们在进行了实验之后,并没有取得预想的结果,他们发现当水蚤达到一定的数量时,水蚤们发出的光便不会叠加,光反而会随着水蚤数量的增多而减小,这是一种相干现象。

科学家们对微小生物进行了大量的研究,他们通过研究发现,发光的质量与发光生物的机体有关。如发光生物中存在光照诱导的延迟发光现象,这种现象与相干现象同时存在。人们为此提出了一个假说,即“相干电磁场和生物光子”假说,这种假说认为发光的生物体内有一种产生相干现象的光子,它是生物之间进行通讯的基础,细胞和细胞之间便是利用这种光子来传递信息的,因此有些生物没有眼睛也能传递信息。

科学家们为人类做出了突出的贡献,他们进行的这些研究具有重要的意义。从科学家们的实验中,我们找到了生物之间传递信息的秘密,与此同时,人们对动物视觉的起源有了一个想象的空间。科学家们带我们解开了科学谜团,一切都不再是秘密。

镜子的妙用

在镜子没有出现的时候,人类对自己充满了好奇。为了满足对自己的好奇,人类找到了看到自己的办法,那就是在水面上看自己的倒影,这可谓是镜子产生的基础。然而水面这个特殊的镜子具有很多缺点,例如它不能拿走,而且如果水太混浊,人类根本看不清自己的容貌,这就要求产生一种新式镜子。随着时间的推移,人类来到了石器时代。原始人类在打制石器工具时,发现了一种磨平可以照人的石头,于是他们便大量磨平这种石头,石镜就这样产生了。

公元前3000年,古埃及人在生产劳动的过程中,掌握了青铜的生产技术,青铜生产技术对于人类社会的发展起到了重要的作用。随着青铜生产技术的出现,各种工具也开始出现。与此同时,古埃及人发现如果将青铜板打磨光滑,那么光滑的青铜板上便可以照出人形来,青铜镜在青铜生产技术出现后得以产生。

13世纪初,意大利产生了玻璃工业,而且这种工业越来越繁荣,尤其是威尼斯城生产的玻璃更是世界闻名。1317年,威尼斯人对彩色玻璃进行了试制,他们在这个试制的过程中有一个新的发现,那就是在玻璃中加入二氧化锰以后,混浊的玻璃液会立刻变得清澈无比,透明玻璃从此产生,这就为镜子的产生创造了条件。

玻璃工匠们意识到透明玻璃产生的重要意义,也许他们可以利用透明玻璃制造出镜子,于是镜子的研制过程开始了。玻璃工匠们先将金属板磨得平整光滑,然后将金属板和玻璃合在一起,玻璃镜子就这样制成了。玻璃镜子刚做好的时候很不错,它光洁照人,用它可以看到人清晰的容貌。但是没过多久,水分和空气进入了金属与玻璃之间的缝隙,金属板被氧化,镜子便不再光洁照人。后来,玻璃工匠们将各种金属熔化,然后将金属的熔化液倒在玻璃上,希望这些熔化液能与玻璃结合,但是他们并没有取得成功。

1508年,实用的玻璃镜子终于制成,它是由意大利的玻璃工匠达尔卡罗兄弟研制成功的。达尔卡罗兄弟先在玻璃面上贴上锡箔,然后再在玻璃面上倒上水银,由于水银是液态金属,能将锡有效地溶解,这样在玻璃面上便有一层锡与水银的合金形成,这种合金能够与玻璃紧紧粘在一起,第一面实用的玻璃镜子从此产生。虽然实用的玻璃镜子产生了,但制造实用的玻璃镜子可不是一件容易的事情,那需要花上整整一个月的时间。这种水银镜子还有缺点,那就是水银有毒,常用这种镜子对人体有害,而且这种镜子的镜面也不是太光亮,它还需要得到改进。

1843年,镀银的玻璃镜子产生了,这是由德国科学家发明的。这种银玻璃镜子背面是薄薄的银层,这层银不是随随便便粘上去的,而是利用银镜反应附上去的,下面介绍一下银镜反应。把氢氧化铵和氢氧化钠放到硝酸银溶液中,再在溶液中放少量葡萄糖溶液,由于葡萄糖具有超强的还原本领,它可以把硝酸银中的银离子还原成金属银微粒,这些银微粒会沉积在玻璃上,这样银玻璃镜子就产生了。为了让银玻璃镜子的寿命尽可能长,银镜的制造者通常在为玻璃镀银之后,再把一层红色的保护漆刷在银层的上面,这样制造的银镜就会经久耐用。

20世纪70年代,铝镜开始出现,它的制造原理是这样的:先让铝在真空中蒸发,再把铝蒸气凝结在玻璃面上,让它黏附在玻璃的背面成为一层薄薄的铝膜。这种镀铝的玻璃镜非常便宜耐用,比以前的镜子也更为光彩照人,镜子的历史从此翻开了崭新的一页。

常用的镜子有以下几个作用:

(1)用来反映人或物的样子。

(2)聚光取火。

(3)在房间里挂一面镜子,可以让房间的光线好,人的视觉范围得到拓宽,人的压力得到缓解。

当然除了这几个基本功能,镜子在历史上还有其他用途,阿基米德曾用镜子火烧了敌人的战船。

那是一个烈日当空的日子,罗马舰队突然对叙拉古城发起了进攻。这时阿基米德在城头出现,他用手一招,城墙上便有无数的妇女站出来,她们每个人都拿了一面铜镜子。罗马士兵被吓了一跳,以为阿基米德发明了什么新式武器。可是后来他们镇静下来,发现只是妇女们手持镜子站在那里,不禁感到好笑。罗马士兵没有得意多久,只见阿基米德把手一招,所有妇女将铜镜反射的阳光投射到舰船的船帆上,船帆没多久便燃烧起来,罗马士兵只得落荒而逃。

阿基米德用镜子火烧了敌船,庙里的和尚却用镜子来躲避灾祸。

在深山中的古庙房檐下,常常有一面青铜镜倾斜着挂在那里,青铜镜正对着上山的道路,在镜子斜对着的地面上放了一盆水,在庙里的人从水中可以看到道路上的情景。原来在兵荒马乱的日子里,这是老和尚躲避战乱的一种方法。如果看到道路上有什么意外情况出现,和尚们便躲藏起来,避免遭到杀害。

在修建地下隧道的过程中,有时需要用到镜子。由于修建地下隧道都是在地下进行,于是照明这个问题无法解决,人们便将大镜子放在井口和井底的拐弯处,这样绚丽多彩的阳光便能进入几十米深的地下,照明问题也就迎刃而解。

大家都知道汽车车灯的用途,那你知道自行车尾灯的用途吗?有些人可能会以为它只是一个装饰品,其实它的存在主要是为了保证骑车人的安全。下面我们来了解一下自行车尾灯的结构:尾灯的外表面是一个透明窗,内表面是由三个面组成的三棱锥。尾灯内的三棱锥用来反射光,不论从哪里射来的光,它都能将其平行地反射回去。人在夜间骑车时,如果后面有汽车驶来,汽车的灯光便被自行车的尾灯反射回去,这些光线进入到汽车司机的眼中,司机看到了前面的自行车,便会特别小心,这样骑车人的安全便得到了保障。

颜色是如何产生的

人的视觉器官是一个非常完善的光学系统,它可以将数千种颜色分辨出来。

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