花儿为什么是红色的？“量子力学”告诉你答案

最近他又刚刚完成了“给孩子讲物理学”系列中的第二本《给孩子讲宇宙》，这是在第一本《给孩子讲量子力学》之后，面向广大孩子和家长们的又一份知识礼包。

给孩子们的物理学之二《给孩子讲宇宙》

我们就来听听“淼叔”，是如何阐释科学的简单与复杂。

宗教与科学对“规律”的执着

古代人相信有某种规律操作着世界的运作，虽然当时无法弄清背后的规律，但是他们通过文字和理论的方式将他们的这种想法明确下来，这些思想最终演化为宗教。在宗教中，上帝或神灵所制定的规则就是世界运行的规律。

虽然科学和宗教似乎无法统一，但两者都承认在世界运转的背后有某些规律在起作用。在英语中“科学规律”、“定理”等所用的词汇——"law"，正来自于法律，而法律在古代就是“上帝”制定的，也许可以说，科学最初的萌芽是来自于宗教中对于规律性的确定。

西斯廷教堂的米开朗基罗创作的宗教壁画《创世纪》局部

在教会中曾任职的布鲁诺、哥白尼在历史上确实遭受到了教会的迫害，但也是因为从事宗教工作，他们对于规律有着异常坚定的信念，这让他们执着于探索世界运转背后的规律。

文艺复兴之后，科学摆脱了依附地位，真正独立出来。1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》一书改变了世界的面貌，牛顿第一个总结出他定义为“机械论”的物理世界规律。

牛顿的《自然哲学的数学原理》

这一规律随后引发了第一次工业革命。而随后第二次工业革命，来源于人类对于物理学新规律的掌握，即电与磁的规律，以及石油带来的能源革命。当下的第三次工业革命，它源于人类对于核能和量子力学的掌握，正是量子力学催生了信息革命。

用规律解释复杂的宇宙

这是一张星系的图片，为什么星系会是这样的，而宇宙又是什么样子，这些问题，现在都可以用我们所掌握的规律在计算机内进行模拟，通过简单的规律计算出它们复杂的演化过程。

同样，我们在掌握相对论理论之后，也能对宇宙中一些复杂的现象进行解释。例如爱因斯坦环的形成和原理：下图中弯曲的光环，其实是天体发出的光线受到前方强引力场引力透镜效应的影响，而使我们观测所得的光源形状发生了弯曲。

花儿为什么呈现出红色

回到开头的问题：这朵鲜花为什么呈现出红色？背后有两个物理学的道理。

1.我们身边的一切物体，会吸收光线，也会发射光线，我们看到这朵花是红色的，说明花吸收了可见光的同时，只反射那些波长700多纳米的红色可见光。用量子力学的话来说，物质的基本结构主要是由原子核和数层电子组成，而最外层电子则决定了物质的很多外在性质。这些花内部分子和原子结构上最外层电子会吸收红光，同时也对外辐射红光。因此当这朵花被可见光照射下，只会呈现红色。

2.太阳主要辐射黄光、同时也辐射所有的可见光。下图太阳光谱中可见光的那一段，就是我们人眼能看到的部分。正因为太阳光中有红色可见光的光谱，通过花朵的吸收和再次发射，我们才能看到红色的花。

太阳光的光谱

为了了解丰富多彩的世界，人类从古到今就不停的挖掘自然界背后隐藏的物理规律。在现代科学三四百年的时间中，虽然我们还没有彻底弄清这个世界的规律，但是我们已经可以解释一部分宇宙中的复杂现象，并应用这些规律去改善我们的生活和探索新的规律。

这一过程从人类最早的农业革命就已经开始。走过历史上第一次、第二次、第三次工业革命，我们人类在认识宇宙规律的过程中，不断完善自身。这也是今天科学家们研究世界的目标和出发点。

文中图片来自上海科普大讲坛李淼演示文稿

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