重新认识影子:一种光学现象而非物体

作者: 蝌蚪君

来源: 蝌蚪五线谱

发布日期: 2020-09-06

本文详细解释了影子的形成原理,探讨了影子的二维性和重量问题,揭示了影子作为一种光学现象的本质。

只要有光,就有影子相随,尤其在这炎炎夏日,更躲不开影子的“步步紧追”:头顶烈日,身旁就会有影子;树下乘凉,也是因为站在影子里。关于影子,你了解多少呢?有人说影子是二维物体,有人说影子也有重量,这些都是真的吗?今天,就让我们一起重新认识“朝夕相处”的影子吧!

影子从定义上来说,是一种光学现象而非一个物体。光在空气(同种均匀介质)中沿直线传播,有体积的非透明物体挡住了光,在物体后方光线照不到的区域就形成了影子。当我们用较大的灯照射一个较小的物体时,会发现产生的影子不是一个清晰的整体,而是一个模糊的轮廓。其中,靠近影子中间,颜色比较深的部分,叫做本影,而本影周围,颜色比较浅的部分,就叫做半影。

发光物体的面积越大,本影的范围就越小,同时,半影的面积会相对增大,但颜色则会变浅。无影灯就是利用了以上原理,将许多灯源排列成圆形,从多个角度同时照射物体,就可以使本影基本上“消失”。无影灯运用在手术台上,能够保证光照亮度并排除手术过程中影子造成的视线干扰,确保手术顺利进行。

在我们的认知中,维度有这样几种:一个点的存在即为一维,有长宽的平面是二维,存在长宽高的物体则是三维。如果从这个意义上来看,影子没有厚度,只是一个平面,似乎符合二维的定义,所以才会有“影子是二维物体”的说法。然而,就如前文所说,影子从定义上来说并不是一种物体,而是一种光学现象,自然也就没有维度可言。

既然影子不是物体,那么自然也不可能有重量了吧?

然而,实验表明,当一个物体产生的影子投射在另一个物体上时,会使被投射的物体重量减轻。这又是什么原因呢?既然影子是由光产生的,要想解开影子的谜题,就离不开对光的认识。在回答这个问题之前,我们需要先来解释一个概念——“光压”。根据量子理论,光具有“波粒二象性”,它既是电磁波,又是粒子,即光子。

虽然光子没有静态质量,但它是高速运动的,当光投射到一个物体上时,就像风吹动帆一样,会对物体施加一个力,这个力就是光压,也称为辐射压力。

当影子投射到某个物体上时,这个影子区域没有了光子的推力,也就是说,被投射的物体表面失去了光子推力,物体所表现出来的重量自然就会减少。不过,这个减少的重量是微乎其微的,需要运用非常精密的仪器才能检测出来。日常生活中,我们难以察觉这样的细微变化。

看到这里,你是否对每天跟在我们身后的影子有了全新的认识?如果按照重量是静止状态下给予承载物压力的大小来考虑的话,影子其实应该是“负重量”。虽然探讨影子本身的意义并不算大,但也别因此小瞧了我们的影子,许多科学家正是在研究影子如何形成的过程中发现了诸多物理奥秘。

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