花兒為什麼是紅色的？「量子力學」告訴你答案

科技 08-24

「為什麼這朵花是紅色的，這背後其實和量子力學有關。」

上海科技館科普大講壇第80期的專家說道。

聽到「量子力學」四個字，就開始擔心自己的知識儲備了？

不用擔心，科普大講壇帶你輕鬆讀懂這四個字~

我們所處的世界充滿了各種複雜現象，背後其實是很多種簡單規律共同作用而產生的結果。

——李淼

用簡單的規律去解釋宇宙中複雜的現象，這正是中山大學天文與空間研究院院長李淼為我們帶來的「有序與無序，科學的簡單與複雜之美」演講的主題。

課堂上的淼叔

在微博和知乎的新媒體科普圈裡，李淼被網友們親切的稱為「淼叔」。而「淼叔」真正的身份是一位理論物理學家，主要研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙學以及暗能量，著有《超弦史話》、《越弱越暗越美麗》、《中的物理學》等科普專著。

最近他又剛剛完成了「給孩子講物理學」系列中的第二本《給孩子講宇宙》，這是在第一本《給孩子講量子力學》之後，面向廣大孩子和家長們的又一份知識禮包。

給孩子們的物理學之二《給孩子講宇宙》

我們就來聽聽「淼叔」，是如何闡釋科學的簡單與複雜。

宗教與科學對「規律」的執著

古代人相信有某種規律操作著世界的運作，雖然當時無法弄清背後的規律，但是他們通過文字和理論的方式將他們的這種想法明確下來，這些思想最終演化為宗教。在宗教中，上帝或神靈所制定的規則就是世界運行的規律。

雖然科學和宗教似乎無法統一，但兩者都承認在世界運轉的背後有某些規律在起作用。在英語中「科學規律」、「定理」等所用的辭彙——"law"，正來自於法律，而法律在古代就是「上帝」制定的，也許可以說，科學最初的萌芽是來自於宗教中對於規律性的確定。

西斯廷教堂的米開朗基羅創作的宗教壁畫《創世紀》局部

在教會中曾任職的布魯諾、哥白尼在歷史上確實遭受到了教會的迫害，但也是因為從事宗教工作，他們對於規律有著異常堅定的信念，這讓他們執著於探索世界運轉背後的規律。

文藝復興之後，科學擺脫了依附地位，真正獨立出來。1687年牛頓的《自然哲學的數學原理》一書改變了世界的面貌，牛頓第一個總結出他定義為「機械論」的物理世界規律。

牛頓的《自然哲學的數學原理》

這一規律隨後引發了第一次工業革命。而隨後第二次工業革命，來源於人類對於物理學新規律的掌握，即電與磁的規律，以及石油帶來的能源革命。當下的第三次工業革命，它源於人類對於核能和量子力學的掌握，正是量子力學催生了信息革命。

用規律解釋複雜的宇宙

這是一張星系的圖片，為什麼星系會是這樣的，而宇宙又是什麼樣子，這些問題，現在都可以用我們所掌握的規律在計算機內進行模擬，通過簡單的規律計算出它們複雜的演化過程。

同樣，我們在掌握相對論理論之後，也能對宇宙中一些複雜的現象進行解釋。例如愛因斯坦環的形成和原理：下圖中彎曲的光環，其實是天體發出的光線受到前方強引力場引力透鏡效應的影響，而使我們觀測所得的光源形狀發生了彎曲。

花兒為什麼呈現出紅色

回到開頭的問題：這朵鮮花為什麼呈現出紅色？背後有兩個物理學的道理。

1.我們身邊的一切物體，會吸收光線，也會發射光線，我們看到這朵花是紅色的，說明花吸收了可見光的同時，只反射那些波長700多納米的紅色可見光。用量子力學的話來說，物質的基本結構主要是由原子核和數層電子組成，而最外層電子則決定了物質的很多外在性質。這些花內部分子和原子結構上最外層電子會吸收紅光，同時也對外輻射紅光。因此當這朵花被可見光照射下，只會呈現紅色。

2.太陽主要輻射黃光、同時也輻射所有的可見光。下圖太陽光譜中可見光的那一段，就是我們人眼能看到的部分。正因為太陽光中有紅色可見光的光譜，通過花朵的吸收和再次發射，我們才能看到紅色的花。