问题

水能由无色无味无法感受的水蒸气变成固体的冰,为什么光不能固态化?

回答
这个问题触及了物质状态转变与光本质的根本差异,确实是个值得深入探讨的好问题。我们先从大家都能感知到的水说起,再逐步过渡到光,看看它们为何一个能“变身”,一个却不能。

水的三态变化:分子间的“拥抱”与“挣脱”

我们都知道水在常温常压下是液体,可以流动,摸上去有湿润感,但却无色无味。当温度降低时,水会凝固成冰,变成固体,质地坚硬,我们可以用手抓住它。而当温度升高时,水又会蒸发成水蒸气,变成气体,我们虽然看不见它,但可以感受到它的存在(比如厨房里升腾的热气)。

这一切的根源在于构成水的“水分子”。我们可以把水分子想象成一个个小小的粒子,它们之间存在着一种叫做“分子间作用力”的“拥抱”。

液体水: 在液体状态下,水分子并没有完全被束缚住。它们之间有相互吸引的力量,但同时又有足够的能量(动能)可以相对自由地移动,像是彼此拉着手,但又能在一定范围内“跳舞”。这就是为什么液体水可以流动,能够改变形状,但仍然保持着一定的体积。
固体冰: 当温度降低时,水分子的动能就变小了,它们“跳舞”的幅度也越来越小。分子间的作用力就把它们牢牢地“绑”在了一起,形成了一个固定的、有规则的晶体结构。这时候,分子只能在各自的位置上“震动”,无法自由移动,所以冰就有了固定的形状和体积,变得坚硬。
气态水蒸气: 当温度升高时,水分子的动能就变得非常大,它们的力量足以完全挣脱分子间的作用力,四处飞散。这时候,它们之间几乎没有相互作用,只能按照碰撞的规律运动,这就是我们说的气体。

所以,水的固态化(结冰)其实是水分子在温度降低时,动能减小,分子间作用力占主导,从而被固定在特定位置的过程。这是一种 宏观物质的结构重组。

光:不是粒子,也不是分子,而是能量的“涟漪”

现在,让我们把目光转向光。光和水完全是不同的东西。光不是由我们前面提到的那种可以被“拉扯”、“推挤”的粒子构成的。

更准确地说,光是一种 电磁波。你可以想象它像水面上的涟漪一样,是一种能量的传播方式。这种“涟漪”是由相互垂直的电场和磁场以非常快的速度交替传播形成的。

光的本质是能量: 光携带能量,这种能量以波的形式在空间中传播。我们看到的颜色,就是不同频率的电磁波。比如,红光频率低,紫光频率高。
光不具有“分子”或“粒子”的束缚: 光波不像水分子那样,有明显的、可以被“固定”在某个位置的实体结构。它是一种动态的、无休止的传播过程。你无法“抓”住一束光,也无法把它“冻结”在某个地方,让它变成“固体光”。
光速恒定且极快: 光在真空中的传播速度大约是每秒30万公里,这是一个非常惊人的速度。它是一种能量传播的“速度极限”,不像水分子的移动那样可以被轻易减缓到零。

为什么光不能“固态化”?

基于以上对比,我们可以得出结论:

1. 物质状态是分子(或原子)集体行为的表现: 固态、液态、气态是物质在不同温度和压力下,其构成粒子(原子、分子、离子)的排列和运动状态的宏观体现。水能固态化,是因为水分子之间存在可以被改变的相互作用力,以及其动能可以被降低到足以被束缚的程度。
2. 光没有可以被“固定”的粒子结构: 光不是由可以被拉开、推近、并最终“冻结”在特定位置的粒子组成的。它本身就是能量的一种传播方式,一种“运动”的状态。你无法让一个“传播过程”变成“静止的结构”。
3. “固态化”这个概念不适用于光: 固态化是指从流动性强的状态(液态)或弥散状态(气态)转变为具有固定形状和体积的状态。这需要构成物质的粒子拥有一定的“本体性”,并且可以被组织起来形成稳定的结构。光不具备这些属性。

再打个比方:

你可以把水想象成一群孩子在玩耍。

液体时: 孩子们手拉着手,但也能互相挤着走动,像是在广场上散步。
固体时: 孩子们被排好队,手拉着手,站得非常整齐,只能在原地稍微晃动一下,就像是在排队照相。
气体时: 孩子们完全放开了手,到处乱跑,互相之间很少碰上。

现在,光是什么呢?你可以把它想象成一声呐喊,或者一个信号。

光: 呐喊传递的是声音(能量),它在空气中传播,我们能听到。但你不可能让这声呐喊“停下来”,变成一个“静止的声音物体”。它就是一种声音的“过程”。你也不能把这声呐喊“冻结”成“固体呐喊”。

所以,水之所以能固态化,是因为它是由有质量、有相互作用力的“粒子”(水分子)组成的,这些粒子的状态可以被改变。而光,则是能量的一种传播形式,它本身就是一种“运动”,没有那种可以被“冻结”成“固体”的本体。

简单来说,水有“身体”可以被固定,而光只有“能量”在传播,没有可以被固定的“身体”。

网友意见

user avatar

这个问题说深入的话好像可以扯很多。简单说来的话似乎有两点比较重要:

首先,光子之间没有相互作用(极强场高阶圈图什么的忽略,我也不懂……)。

其次,光子是波色子,全同光子可以占据同一量子态,包括“体积”、“位置”等在内。

以上两点就决定了一团光子“气体”可以被“压缩”到几乎任意小而几乎不需要花费“力气”,很难表现出传统“固体”占有一定相对难以压缩的体积的性质。而费米子物质即使不考虑他们之间的相互作用也存在泡利不相容原理导致的“简并压”,比如中子星中的中子简并压。

当然一团被压缩到任意小的光子气体的光强也是极大的:也许在压缩到某个程度时的“光压”已经可以在宏观上被感受到——又或者在这之前就变成黑洞了,这就需要更高阶的定量分析了……

user avatar

反对用波粒二象性来说明这个问题。我认为这与波粒二象性没有任何的关系;原因应该是:光子数不守恒。

为什么和波粒二象性无关呢?实际上,任何物质都是具有波粒二象性的——比如说电子、中子甚至水分子。它们的波叫做物质波,或者叫做德布罗意波。比如说,氢原子就可以具有明显的波动性:很多化学反应中的氢原子转移都是因为量子隧穿效应(Proton tunneling)。但是,氢在高压下也可以形成固态凝聚态,甚至金属氢(zh.wikipedia.org/wiki/%)。由此可见,无法形成凝聚态与波粒二象性没有任何关系。

在我看来,主要原因在于光子数不守恒。比如说水分子,或者氢,在不发生化学反应的情况下,数量是守恒的。那么我只要加压,并配合降温,总会形成凝聚态的。但是光子不一样,光子数不守恒:容器壁可以释放或者吸收光子。所以当你加压或者降温时,光子的数目可以减少的,那么就不一定能形成凝聚态了。至于为什么光子数不守恒,我只知道这个结论(学过平衡态统计力学的朋友们应该都知道。比如维基百科中对于光子气体的介绍中写道:“但对于黑体来说,能量分布由光子与物质(通常为腔壁)的作用所决定。在相互作用过程中光子数并不守恒,因而黑体光子气体的化学势为零。”),而不知道其本质;我猜测可能与光子的静质量为0有关——这部分如果有更了解的朋友欢迎指正。

虽然光子不会形成凝聚态,但是有一些其他的相近的方式形成类似凝聚态。比如说:

  1. 一些玻色-爱因斯坦凝聚的原子可以使得特定的波长的光速骤降,从而“冻结”光;
  2. 光子与cavity形成的polariton,可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。

总结:光不能形成凝聚态,我认为主要在于光子数不守恒,而与波粒二象性无关。

类似的话题

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有