摘? 要：無論是自然光還是人造光，光的物理性質(zhì)都在它與人類的互動(dòng)中起著重要的作用。雖然在光的波動(dòng)性和粒子性之間還存在一種尚未解釋的二元性，但我們確實(shí)了解了許多影響生物的光的特性。在這里，我回顧了光的歷史和它的特性，特別是那些影響人類健康的特性。

關(guān)鍵詞：光;太陽(yáng)光;光的性質(zhì)

一、光和陽(yáng)光的歷史

宇宙開始時(shí)，光也開始了。150億年前的宇宙大爆炸是在幾十億度的溫度下發(fā)出的強(qiáng)烈的光爆炸。根據(jù)方程E = mc2，其中一些光能被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，所以光也對(duì)物質(zhì)起了作用。光在宇宙爆炸的0秒誕生了，并開始形成基本粒子。三分鐘后基本粒子形成第一個(gè)原子核——氘。三十萬年后宇宙背景輻射開始了：光充滿了宇宙。第一百億年我們的太陽(yáng)誕生了。一百一十億年地球上出現(xiàn)了生命，很有可能是受到陽(yáng)光的促進(jìn)。一百五十億年（也就是如今）陽(yáng)光維持并影響著地球上的生命。這便是光進(jìn)化的步驟及其對(duì)生命的影響，包括宇宙中太陽(yáng)的形成過程。今天，我們?nèi)匀簧钤谝粋€(gè)由陽(yáng)光主導(dǎo)的世界。

二、深入了解光的特性

人類很早就認(rèn)識(shí)到了光的重要性，但對(duì)它的性質(zhì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)非常緩慢的過程。困擾人類最關(guān)鍵問題是光是波狀還是粒子狀。在艾薩克·牛頓將白光穿過玻璃棱鏡并將光分解成不同顏色后，粒子圖像占據(jù)了主導(dǎo)地位，他在1704年解釋說，這意味著光是粒子。但在1801年，英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)，兩束光相互干擾會(huì)產(chǎn)生一系列亮區(qū)和暗區(qū)，這意味著光是波狀的。1873年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出光是一種電磁波，由電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合而成，以3x108? m/s的速度傳播。

1900年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出了量子理論，進(jìn)一步加深了對(duì)量子的理解。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦擴(kuò)展了普朗克的思想，證明光是量子化的，每個(gè)離散單元（后來稱為光子）攜帶的能量為E=hf（h是普朗克常數(shù)，f是光的頻率）。1948年，理查德·費(fèi)曼開發(fā)了量子電動(dòng)力學(xué)來解釋光子如何攜帶電磁力。但量子電動(dòng)力學(xué)并不能解釋這樣一個(gè)事實(shí)，即盡管光確實(shí)是類似粒子的，但它也是類似波的——諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼稱之為“唯一的謎團(tuán)”，即量子力學(xué)核心的謎團(tuán)。

三、光的基本性質(zhì)

盡管在光是粒子狀還是波狀上存在悖論，但這兩種方法都有助于將光及其效應(yīng)系統(tǒng)化。波的圖像集中在波長(zhǎng)和頻率上的，它們符合方程c = fλ。其中c是光速（真空中為3x108 m/s），λ是波長(zhǎng)。波長(zhǎng)是定義電磁輻射不同區(qū)域的便捷方法，從無線電波的極大值到X射線和伽馬射線的微觀值都可以用波長(zhǎng)來區(qū)分。具有代表性的波段有：X-ray波長(zhǎng)為1nm、紫外光波長(zhǎng)為100-400 nm、綠光波長(zhǎng)為550 nm、可見紅外光波長(zhǎng)為750 nm、紅外線波長(zhǎng)為1000 nm、調(diào)頻收音機(jī)的波長(zhǎng)為3 m。

光子的能量可以用eV和千卡/摩爾為單位，可以用來理解光如何影響生命系統(tǒng)。當(dāng)光與一個(gè)系統(tǒng)相互作用時(shí)，每個(gè)光子將能量傳遞給一個(gè)或多個(gè)組成分子。如果能量大到足以破壞分子鍵，則會(huì)導(dǎo)致生物分子結(jié)構(gòu)和活性發(fā)生嚴(yán)重和潛在的不利變化。生物分子中的鍵強(qiáng)度一般在3-10 eV或70-230千卡/摩爾之間，對(duì)應(yīng)的光子波長(zhǎng)為400-1000 nm。因此，無線電、紅外和紅色光子不太可能造成破壞。但紫外線（UV）光子攜帶的能量足以對(duì)其造成破壞。x射線光子尤其有害，因?yàn)樗鼣y帶的能量足以破壞大量的分子鍵。

四、陽(yáng)光及其對(duì)人類的影響

由于光線既能產(chǎn)生有益的結(jié)果，也能產(chǎn)生不良的結(jié)果，因此有必要考慮陽(yáng)光對(duì)人體健康的作用。我們的太陽(yáng)只是一顆中等大小的恒星，但它產(chǎn)生能量的速度我們很難理解。作為一個(gè)表面溫度接近6000開爾文的極熱物體，太陽(yáng)表面每平方米輻射62兆瓦。當(dāng)光線到達(dá)地球時(shí)，這種能量雖然會(huì)減弱，但能量仍然很大：大氣層外表面的能量為1.4千瓦/平方米。此外，作為一種所謂的“黑體”輻射體，太陽(yáng)的光線覆蓋了從無線電波到可見光到紫外線和x射線的整個(gè)電磁光譜范圍。

這個(gè)光譜的短波部分對(duì)人類有潛在的危險(xiǎn)。但是，到達(dá)地球表面的短波光線要比太陽(yáng)產(chǎn)生的光線少得多，因?yàn)槲覀兇髿庵械某粞?，?huì)選擇性地吸收紫外線和更短的波長(zhǎng)。然而，一些紫外線確實(shí)會(huì)照射到地球上，而且有大量的證據(jù)表明人類患皮膚癌的幾率與紫外線照射有關(guān)。

太陽(yáng)紫外線的水平取決于許多短期和長(zhǎng)期的因素：如臭氧層的狀態(tài)、局部大氣狀況、煙霧、全球大氣條件、火山活動(dòng)、在地球表面的位置、一年中的時(shí)間、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)等。這些相互作用的復(fù)雜性可以通過研究美國(guó)和歐洲的陽(yáng)光分布地圖來看出，它們遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單地依賴于緯度復(fù)雜得多。在研究太陽(yáng)紫外線和人類疾病之間的關(guān)系時(shí)，需要仔細(xì)考慮這種復(fù)雜性。

五、人造光及其對(duì)人類的影響

人造光如果包含過多的紫外線輻射，也會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生直接的傷害。還有一種更微妙的可能性，在工業(yè)化國(guó)家人們?cè)谝归g暴露在足夠的人造光下，以抑制或扭曲正常的晝夜節(jié)律。其會(huì)抑制褪黑激素的產(chǎn)生，褪黑素通常由松果體在黑暗的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生。由于褪黑激素在保護(hù)DNA免受損害方面發(fā)揮作用，并具有其他生理功能，因此，人造光的流行可能會(huì)導(dǎo)致諸如乳腺癌等疾病的嚴(yán)重后果和其他不良后果。

六、總結(jié)

光的波粒二象性繼續(xù)困擾著我們，但對(duì)人類健康產(chǎn)生不利影響的光的物理特性可以清楚地闡明。光子理論說明了為什么短波長(zhǎng)的光比其他類型的光對(duì)人類的傷害更大;當(dāng)然，一般性結(jié)論忽略了其他因素，如組織和器官對(duì)光的選擇性吸收，以及內(nèi)部修復(fù)機(jī)制的作用。即使在穿透地球大氣層后，陽(yáng)光攜帶的紫外線能量也足以造成生物損傷。陽(yáng)光中紫外線的數(shù)量和光譜分布取決于多種因素，要進(jìn)一步研究暴露在陽(yáng)光下的時(shí)間和內(nèi)分泌功能之間可能存在的聯(lián)系。

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作者簡(jiǎn)介：李忠友（2001.1-），男，漢族，安徽阜陽(yáng)人，本科在讀。