0:00 黄金 它为什么偏偏是金色的呢 你可能会说 这算什么问题啊 金子金子嘛 它当然是金色的了 但是请你仔细回想一下 在整个化学的元素周期表里面 很多出身显赫的金属 比如说银、铂、钛、铝 放眼望去 它们几乎全是白茫茫的一片银白色 唯独黄金像是一个不合群的叛逆者 固执地披着那层非常耀眼的 充满了神性的黄橙色 作为一个科学类主播 我想告诉你 你看一看咱们这一期的进度条就知道 这个事啊 还真的不简单 很多人不知道 为了让你一眼就从一堆
0:45 破铜烂铁里认出这抹值钱的颜色 我们的宇宙啊 动用了两套最顶级的物理大招 一套是量子力学 另一套就是相对论 如果这个宇宙的物理 常数稍微偏那么一点 或者光速再稍微快那么一点 黄金就会瞬间泯然众金 变成一种和银子没有 什么区别的普通的金属 甚至都没有黄金这个词了 到那个时候 人类几千年的文明史战争史 甚至你手里的金豆子 可能所有的一切都要推倒重来 我还想剧透给你一件事 更神奇的是 在地球上所有的天然金属里 只有黄金的颜色同时证明了
1:30 量子力学和相对论都是正确的 这是从地球诞生那天起 大自然就悄悄留给人类的天大的秘密 那废话不多说 我们就一起来揭开这个秘密 听完这期节目 你一定会忍不住感叹 原来金子值钱是真的有它的道理啊 首先我们得说 在视觉上 金色它其实不是一种严格的颜色 你没有办法通过RGB色卡 把金色给它定下来 如果你打开一张照片 照片上有一块黄金 然后在电脑显示器上 只取其中一个像素点 你没有办法判断这个点是不是金色的 它可能是黄色白色 棕色或者是类似的颜色
2:15 我们日常说的金色 是一种由颜色质感等等复杂 信号组成的一整套视觉信息 你可能觉得说不清 但是你就是能认出它来 那我们的第一步就是拆解一下 这个金色它到底是由什么构成的 再分析每种成分背后的原因 从认得出到说得清 再到彻底搞懂它 我们先从最直觉的层面想一下 要让我们相信一个东西它是金色的 大脑大体上要处理 两种核心的视觉信息 第一是强烈的金属质感 第二是鲜艳的黄色 对吧 嗯 这么说大概是对的 但还不完全正确 首先 如果只能看不能摸 那我们纯靠视觉系统是怎么
3:02 分辨出所谓的金属质感的呢 这里好像还没有说清楚 对不对 其次 我们说黄金的那种鲜艳的黄色 严格来说是一种镜面反射的金属色偏 黄金和绝大多数金属不同 它的反射光带有强烈的选择性 换句话说 黄金表面反射的东西都给 加了一层金黄色的滤镜 我们看到的这层滤镜跟 黄金本身的颜色没有关系 甚至你听到今天节目的最后 都会开始怀疑黄金它本来是什么颜色 或者黄金它本来有没有颜色这个属性 都不太好说了 那为了让我们的思考进行下去 我们姑且这样拆分啊 我想确定的告诉你的是
3:47 只用看 不用摸 我们纯靠视界线号就能分辨出黄金来 那为了让你理解呢 我们先做一个简单的逆向工程啊 就是尝试把黄金的金色给它画出来 我肯定是不会画 不过咱们小的时候都看过 车田正美画的漫画圣斗士星矢 对吧 你别看人家只能通过 线条和颜色的组合 把不同的色彩铺在白纸上 哎 他就能骗过我们的大脑 让我们认为纸上呈现的东西 就是金黄色 这也是车田正美老师最厉害的地方啊 我们看 虽然这个漫画是平面的 里面画的这个黄金圣衣呢 也没有办法真的反射光线 但是它巧妙地利用了 以下几种视觉组合
4:33 你可以琢磨一下 跟着我分析一下啊 第一呢 我们仔细看这个黄金圣衣 你会发现圣衣的凸起的部分棱角 还有被光线直射的区域 都用明亮的线条或者 亮色的小块区域来表现 这些就是模拟了金属的镜面高光 第二呢 如果你再仔细看就会发现 圣衣的表面从浅黄色过渡到深棕色 甚至是纯黑色 这种过渡是突然的 有非常明确的分界线 这种高对比度的过渡会让我们 大脑意识到这个是光滑的金属表面 而不是嗯比如说光滑的塑料表面 这里的重要区别我们放到后面会说 第三 车田正美会使用 一系列从浅黄到深棕色
5:21 甚至带有一点点橙色的 渐变来填充圣衣的表面 靠近高光的区域是鲜艳的亮黄色 圣衣的主体部分是 浅黄色或者是橙黄色 而到了凹陷处 阴影面会用深棕色 这就代表了我们前面说的 黄金反射的金属色偏 就是上面无论反射出什么画面 都好像加了一层金色的滤镜一样 那么有这几点视觉信号 我们的大脑就会判断 眼前的东西它是金色的了 所以说 当我们定义金色的时候 不是一个确定的色号 我们至少要把这个信号 拆解成两层信号的叠加 一个是所谓的金属质感 我们一会就会解释这种所谓的质感 它是怎样一种视觉信号
6:06 这个是黄金区别于黄颜色的 香蕉或者是黄色塑料球的感受 第二层视觉信号是 某种黄橙色的反射颜色 这个是黄金区别于其他 金属带给我们的视觉感受 那么这两层信息背后继续往下深挖 就会挖出来 它们居然分别就是 量子力学和相对论在发挥作用 那我们一个个说啊 先来说说这个所谓的金属质感 它在视觉上到底是一个什么信号 也就是我们怎么 感受到看见的某个物体 它的表面是金属的 那如果让你用手去摸 你当然就可以感受到更复杂的信号了 比如说温度传导的快慢啦 表面的光滑程度啦 以及重量感了等等
6:51 但这里我们要说的是 不让你上手摸的情况下 只凭视觉信息 能不能判断一个东西 它是不是金属呢 诶 从前面圣斗士星矢的漫画来说 答案是可以的 我们分析分析啊 最基础的信号呢 就是这个镜面反射的清晰度 非金属的物体 比如说木头布料 它们发生的是慢反射 而光滑的金属表现出 的是极强的镜面反射 那怎么体现是镜面反射呢 我们的大脑或者说 视觉的逻辑是这样的啊 如果我们在物体表面 看到了环境的轮廓 比如说窗户灯光 甚至看到了你自己的脸 那大脑就会立刻锁定 这个表面是高度平整
7:37 而且具有高反射率的 那如果画面里出现的 不是窗户或者人脸呢 比如说我们前面说的黄金圣衣上面也不反射人脸 唉 那就靠下面这一条 也就是高光与暗部的剧烈的跳跃 光滑的金属表面 它的明暗对比程度非常的高 比如说在高光的亮的地方旁边 可能紧跟着就是反射周围 暗部环境产生的深色区域 这个分界线是非常明确的 这时候我们大脑又会 启用另外一套逻辑 它会认为这种从极亮 到极暗的剧烈的过渡 而且没有中间灰色地带的这样一种现象 它很可能不是物质 自身表面颜色的变化 而更可能是反射的外界的影像
8:23 虽然我们可能分辨不 出来它倒映的到底是啥 反正是倒映了 那大脑就判定这个是光滑的金属表面 那相反呢 当光线照在比较粗糙的表面的时候 你可以想象那种毛玻璃做的镜面 慢反射会把原本锐利 的明暗边界给打散 原本清晰的图像轮廓会变得很模糊 很柔和 明暗过渡也会变得特别的平缓 那么大脑接收到这样的视觉信号之后 就会判定这个是不光滑的哑光的表面 咱这么说 你可能没有什么概念啊 我们还是直接翻开 圣斗士星矢这个漫画 这次呢 我们挑一页黑白的 这下我们连颜色属性都给他拿掉 但是你还是能一眼就看出来
9:09 左边卡妙身上穿的这个圣衣 比右边冰河穿的这个圣衣要值钱的多 对不对 我们的车田正美老师 被称为是质感大师 就是因为他非常的擅长 用黑白色的对比来模拟我们 前面提到的物理的光学现象 咱们看着这幅图来做 一下逆向拆解的工作啊 对于黄金圣衣 你会发现它的弧面上经常有一条 一条扭曲的不规则的黑色条纹 这些条纹显然不是圣衣表面的纹理 而是模拟了周围的建筑地面还有 天空在镜面上反射出来的几何形变 而紧挨着这种黑色线条 的是它纯白色的高光 这种从100%的黑到100%的白的剧烈的跳跃
9:56 就模拟了金属极高的反射率 我们再来看旁边冰河 穿的这个青铜圣衣啊 它的表面就会使用更多的灰色调 用来表现体积感和阴影 但是你看它上面没有 剧烈的明暗的变化 也就看不出来明显的镜面反射 看起来就像是磨砂的金属 对吧 另外 如果你仔细看的话 就会发现车田正美在黄金圣衣上 会使用大量的十字的星芒 这些星芒一般会点缀在 圣衣最突出的棱角的地方 漫画里这个意思就是 我们在纸上留白的 这个白色已经是最白了 那黄金圣衣的高光点 比纸上纯白色的留白还要亮 这也体现出这个圣衣的表面更加的光滑
10:42 说到这 我们就解决了第一个问题 那就是只凭视觉信号 黄金的表面怎么能看起来足够光滑 足够反光 那么问题来了 只要足够光滑 在你看起来它就是金属了吗 如果在你面前放一块黄金 旁边放一个 比如表面打磨得非常非常光滑的塑料 同样也是黄橙色的 你能分辨出来吗 我想你肯定是能的 对不对 金属的表面和光滑的塑料的表面 哪怕摸起来都是一样的光溜溜的 它们在视觉上也有非常明显的区别 哎 你的眼睛知道 只是你的心里啊不知道 我们接下来就把这个区别好好的拆开 再来追问一下
11:28 在物理学上为什么会有这样的区别 那说到这个事呢 我就想起当年学习渲染软件的时候 有两个参数始终是搞不明白 它们的区别是什么 一个叫光滑度 一个叫金属度 尤其是这个金属度啊 那光滑度呢 就是刚才咱们一直说的这件事 一个东西的表面是不是很平 很光滑 是不是很反光 那金属度又是啥呢 你想 软件既然给了两个不同的参数 它的作用肯定是不一样的 渲染软件它不知道模型里面的 那个东西到底是什么物质 只能靠纯视觉上的模拟 所以当你调整这个 所谓的金属度的时候 它在背后肯定是偷偷做了一些工作
12:13 调节一些纯视觉上的 更为基础的表现参数 才能让它看起来更像金属 对不对 那么反过来说 一旦我们搞清楚这个所谓的金属度 背后涉及到什么样的视觉信号 也就搞懂了金属的表面 跟滑溜溜的塑料表面有什么区别 那这里我们就得请出 一个重要的光学概念 叫做菲涅尔效应 记住这个名字啊 我们后面会一再的提到它 这个菲涅尔效应听着挺神秘的哈 其实非常容易理解 简单来说呢 菲涅尔效应就描述了一个现象 这个现象是物体表面的反射率不是固定的 而是随着你的观察角度 也就是光的入射角的变化而改变
12:58 听不懂没关系 我们说人话啊 举个例子 当我们看近处的水面 因为水就在我们的脚底下嘛 所以我们的视界线 几乎是与水面是垂直的 这个时候水面的反射率大概只有2% 所以你可以透过反射 清晰地看到水底的画面 但是当你移动你的 视线越来越和水面平行 就会发现反射率越来越高 或者你不用移动你的视线 直接放眼去看远处的湖面 这个时候你的视线 也几乎和水面是平行了 那么远处的湖面看上去 就像是一面完美的镜子 倒映着远山 你可以清晰的看到这种 反射率随着观察角度变化的现象 它就叫做菲涅尔效应 这个效应产生的原因啊
13:44 我们后面会展开说 这里呢 咱们先通过一个直观的比喻来帮助你理解 这个比喻呢 就是我们小时候都玩过的打水漂 你把光子想成小石头片 如果垂直的向下扔 这个石头就会直接的沉入水底 也就是光线直接进入物体的内部 被折射或者被吸收 而如果你平着把石头扔向水面 这个切角非常的小 石头就更容易被水面给弹起来 也就是光线发生强烈的镜面反射 好 菲涅尔这个效应 如果你搞明白了 那么金属和非金属的 区别就容易解释了 不同的材质有着不同的菲涅尔性格 表面很光滑的大理石和一块 表面光滑程度差不多的金属
14:31 当我们尽量贴着表面 让视线跟这个表面平行的时候 那么这块大理石和 金属的反射率都接近100% 你都能看到它们在反射外界的影像 但是当我们移动视线来到 接近垂直于表面的位置 就会发现大理石的 反射率已经降得非常低了 可能只有4% 这个时候你就不能看到 大理石在倒映什么东西了 你看到的几乎都是 大理石自身的纹理和颜色 而这个时候金属的 反射率依然是非常高的 你依然能看见它在 清晰的反射外面的画面 甚至能看见自己的脸 好 谜底揭晓 这个就是金属和非金属差异的秘密所在 也就是说 同样光滑的东西
15:17 菲涅尔效应对非金属 带来的影响就很明显 对金属带来的影响就不明显 我们说回渲染软件或者是游戏软件 这里用不着我们移动 脑袋去找不同的反射角度 一个立体的物体肯定是有不同的面 和我们视线的夹角是不同的 对吧 我们再来看一个图 这是个大理石球 我们撇开球上面的大理石纹不谈 你也知道这肯定不是一个金属球 你仔细看这个球啊 它的四周边缘跟我们的视线 更像是平行的关系 所以越接近边缘的地方 你越能看到它上面是 在反射周围的影像 几乎看不到本来的那种大理石的材质和花纹 而越接近中心
16:04 这个表面就越和你的视线垂直 所以中心区域你几乎 看不到反射周围的场景了 而大理石本身的花纹 就看得清清楚楚了 对 就是这个变化 它告诉你的大脑 它不是一个金属球 咱们再来看一个对比 左面是一个光滑的塑料球 右面是一个光滑的金属球 可能你乍一看觉得这个 塑料球没有这个金属球光滑 没有它亮 其实不是的 这个图是我生成的 我设置的光滑程度是一样的 你仔细看啊 它们两个靠近中间的那个位置 它们还在互相反射对方的影像 就在这个点你去看 在塑料球的最边缘
16:49 反射的清晰度和金属球是一样的 只不过越接近中心 它的表面和你的视线 越接近垂直的关系 菲涅尔效应就把塑料球的反射率急剧的降低 而金属球则是几乎不受影响 中间和四周的反射率一直都特别的高 就是这个信息告诉你的大脑 左面这个不是金属 右面这个才是金属球 所以你看 金属受菲涅尔效应的影响小 垂直于表面的时候 反射率还足够高 所以咱们要是用来做镜子照自己 那就得用金属 你可能会说 诶 这不对啊 我们日常使用的镜子不都是玻璃的吗 这就得做个小科普了啊 咱们家里用的镜子啊
17:34 结构都是一块透明的玻璃 背面镀着一层铝 铝的反射率大概是85%左右 那高端一点的化妆镜或者是浴室镜呢 背面会镀银 银的反射率能到95% 真正起到反光照镜子 看自己这样作用的 其实是背面镀的那层金属 那玻璃是什么作用呢 它的作用是给这层金属 提供一个平面的骨架 同时保证金属层不被磨花 如果没有金属层 你就必须侧着看镜子才能看到反射了 好 那到这里 你觉得满意了吗 熟悉我们的朋友都知道啊 我肯定是不满意的 这里正是追问为什么的时机啊 为什么金属受 菲涅尔效应的影响就小呢
18:21 为什么金属就不管什么角度都亮呢 诶 要搞清楚这个 咱们就得先搞清楚菲涅尔效应 它为什么会存在 这一问啊 不要紧 我们马上就要发现认知的新大陆了 光的反射压根就不是 咱们想象的那个样 你可能会觉得光的反射 就像是乒乓球撞墙一样嘛 嗖的飞过去 啪的弹回来 对不对 但是现实告诉我们 它肯定不是这样的 因为乒乓球撞墙 甭管它用什么角度撞 那应该是直着撞就直着弹回来 斜着撞就斜着弹回去嘛 反弹的角度都是遵循 入射角等于反射角的规律 这样的话也就不应该出现角度不同
19:06 反射率不同的那种菲涅尔效应了 对不对 好 我们还是先拿一块表面 非常光滑的大理石来说吧 首先 我们要纠正一个最大的误解 光并不是撞在大理石的表面就停下来了 它其实进去了 我们比较熟悉光从空气 进入水面会发生折射现象 对不对 这个折射现象的原因就是 因为空气和水对于光来说 它们的折射率不一样 那比较反直觉的是 光从空气射向大理石 光也同样进入了大理石 同样 大理石也有自己的折射率 空气的折射率接近1.0 大理石的折射率大概是1.5
19:51 这里我们说的折射率的本质啊 其实就是光在真空中的速度c 与在介质中的速度v之比 光在大理石的传播速度 确实变成了真空中的1.5分之一 大概就是67%左右 诶 等会 等会 等会 这一下子出了好多问题啊 我得挨个替你问问 首先第一个问题 大理石这玩意它不是不透明的吗 那光怎么还能传播进去呢 其实啊 咱们对透明这件事是有误区的 改天我专门给大家开一期节目啊 就透明这个事就专门可以讲一期 在这我们先简单说一下 大理石的主要成分是方解石 如果你能拿到一小块 纯净的方解石的晶体
20:38 就会发现它和玻璃一样是透明的 那么一整块大理石呢 是由无数非常非常小的 方解石晶体挤压在一起组成的 光每次穿过一个微小晶体的边界 就会发生一次折射或者是一次反射 所以说光确实进入了大理石 但是它在大理石内部迷路了 所以我们会看不到光从背面传出来 光进入大理石表面 几微米或者几毫米之后 撞到了晶体颗粒的边缘 它并没有停下 而是被弹向了四面八方 那因为这里面打引号的镜子太多 角度太乱 光在里面就会转几千个弯 彻底的迷路 这是一个问题啊 还有个问题 刚才咱们说大理石的折射率大概是1.5
21:26 光速在里面传播的速度是 真空中传播速度的大约67% 哎 这又是怎么回事啊 现在不是 是个中学生都知道光速 是永远保持不变的吗 没错 一颗光子在原子之间 的空隙里穿行的时候 就像在真空中一样 它的速度依然是恒定的c 但是大理石里面都是原子 每个原子的表面都有电子 而光的本质呢 又是电磁波 每次它和某个原子的电子相遇 都会被这个电子给拦下 搞点事情 每次搞事情的过程 就耽误了光子接着往前赶路 所以从宏观上来看 就像是光速的平均速度变慢了 其实光速没有变啊
22:12 是每个光子都被电子给耽误了 那么电子把光子拦下来 它搞了什么事情呢 诶 我们就要抓住一个问题的关键了 首先 原子核最外面的电子 它会吸收光的能量 这个电子会从低能级跃迁到高能级 但是呢 一个电子从低一级的 轨道跃迁到高一级的轨道 需要的能量是固定的 如果这个能量正好等于 那个光子携带的能量 那不好意思 光子就被吸收了 但是有更大的可能性是 由于这个电子的能级结构 不匹配这个光子 这个电子没有办法真正的吃下它 于是呢 就发生了一个极其短暂
22:57 但是非常奇妙的量子过程 光子首先是撞上了电子 电子瞬间借用了这股能量 进入了一个虚态 这个状态在物理定律中 是不允许长期存在的 电子由于不能待在这个虚态 必须在非常短的时间 把这个能量再吐出来 重新产生一个光子 表现形式就是重新发射出 一束与入射光频率一致 角度对称的电磁波 也就是光 这就好像什么呢 好像一个人接到了一个烫手的山芋 他没有办法把这个山芋揣进兜里 只能在接住的一瞬间倒个手 再顺势的把它给扔出去 所以严格来说 在这个过程中
23:42 原来的那个光子a消失了 诞生了一个新的光子b 这束光在反射之后 变成了一束特修斯之光 但是物理学里有个原则 叫量子不可分辨性 意思就是说 所有频率偏振方向相同的光子 都是完全一模一样的 他们既没有出厂编号 也没有自己的姓名 所以 虽然在这个过程中 我们站在上帝视角知道 发生了光子的吸收和释放 但是因为光子b继承了光子a所有的属性 比如说能量动量相位等等 那么在物理定律看来 a和b就是同一个光子 那么在量子力学的视角 光在介质中传播的时候
24:28 会不断的重复这种吸收再发射的过程 每一次互动都会产生极短的时间延迟 每种物质内部电子的活跃程度不一样 对光的这个拖后腿的能力也不一样 宏观上就表现出不同的所谓的传播速度 也就是我们前面说的那个折射率了 那我们知道了这个有什么用呢 诶这可太有用了 我们直觉上以为光的反射 是发生在某个物质的表面 对吧 但是在微观的视角来看 对光来说 它可不管现在是在空气里传播 还是在大理石里传播 它永远是从一个电子经过另一个电子 所以对它来说 根本就不存在什么某个物质的表面
25:16 所谓物质的表面 只是我们人类宏观认知的错觉 对光来说 唯一真实的存在就是电场环境的变化 所以啊 光真正发生反射的地方 是折射率发生改变的地方 我们站在光的视角来 重新看看这个过程 在光子的视角里 它飞行在一片由原子核 和电子组成的电磁丛林里 在空气中飞的时候 电子很稀疏 光子穿行的无拘无束 在大理石里 电子变得密集 前面说的电子吸收光子跃迁马上回落 再吐出光子的情况就变得更多了 光子确实不在乎什么大理石表面 但当它从稀疏的电子云
26:01 冲进密集的电子云的时候 就是它所在的环境发生了突变 那么在这个变化的区域里 非常高频的发生着前面说的事情 所以 反射不是光子在撞墙反弹 而是在折射率发生变化的区域内 电子丛林对光这个 电磁波的一场集体的响应 物理学中就有这么 一个非常经典的实验 如果你把一块折射率和某种油 完全一样的玻璃扔进那盆油里 这个玻璃在油里就会完全的消失 因为对光来说 从油进入玻璃 电子环境没有发生任何的变化 也就是折射率没有变 那既然环境没有变 光就不产生任何的反射或者折射
26:48 虽然宏观上玻璃的表面还在那里 但是在光的视角里 这片空间是连续平滑的 没有任何的边界可言 那么既然你理解了反射 发生在折射率改变的地方 我们还可以更进一步的说 反射其实不是发生在一个几何面上 而是发生在一个有厚度的空间里 也就是说 即便在大理石的表面 光子与电子的这种 博弈也需要一定的空间 反射其实是发生在表层那 几个原子厚度的范围内 你可以把它想象成 一个非常薄的缓冲区 在这里 光波完成了从空气节奏到 大理石节奏的艰难切换 这个切换的代价就是
27:34 一部分光被反射了 在这里顺便考考你啊 知道了这个原理 你能造出什么可以赚钱的东西 顺便去买一块黄金吗 我给你个参考啊 当一束光从折射率为1.0的区域 也就是空气 射入了折射率为1.5左右的一块玻璃 那肯定会在一定的 厚度范围内发生反射 那么 如果你可以在一个很薄的范围内 连续的设置好几层不同折射率的物质 让折射率从1.0过渡到1.1 再过渡到1.2 直到非常平滑的过渡到1.5 这样在每一层都几乎不发生反射 那么恭喜你 你造出了手机上的防眩光镀膜
28:20 好了 咱们走出了这么远 你还记得我们本来是 在讨论什么问题吗 稍微回顾一下啊 我们要讨论的是金属 不受菲涅尔效应的影响 所以它在任何角度都很能反光 那么为了搞清楚原因 我们就得先搞清楚不是金属的物质 它表面反光为什么会 受到菲涅尔效应的影响 现在你知道这么几点 光不是像小球一样在 物质的表面被弹射 第二呢 光发生的反射的现象 和光子与电子之间的 某种量子互动是有关系的 第三 这种反射不是在厚度为0的表面进行 而是在有一定厚度的区域内发生 好了 你需要的知识点已经凑齐了
29:07 现在我们可以搞清楚这个菲涅尔效应 它到底是什么东西了 其实啊 它在本质上一点也不神秘 就单纯的是一个概率问题 你可以想象一个有一定厚度的区域 稀疏的分布着很多的电子 你想象一下 如果有一束光垂直的冲进这个区域 那么这束光里面的大多数光子都 很可能遇不到电子就冲过去了 也就不会有机会被反射 而如果这束光几乎贴着表面横扫过来 那么它在穿过这片有厚度的区域的时候 就会接触到密密麻麻的成千上万的电子 这个就是菲涅尔效应的微观本质 当光线射入物体的角度越偏
29:52 单位面积内参与响应的电子越多 它们形成的集体的阻力就越强 把能量原封不动吐回去 也就是反射回去的比例就越高 那么在宏观上的表现 就是反射的图像就越清晰 那么聊到这你也知道 反射的现象几乎是发生在 所有折射率改变的地方的 那在宏观上来看就是 几乎所有东西的表面了 而非涅尔效应 它只是个概率的问题 跟材质其实没有关系 所以也几乎会在所有发生 这种反射的地方产生作用 而我们前面又知道 菲涅尔效应对金属几乎不产生作用 那么 答案就只有一个了 那就是金属的反光原理跟其他
30:41 所有的表面反光原理都不一样 接下来我们就要揭晓 为什么金属的表面处处那么亮 你能想象啊 对于非金属的一般物质 一个电子基本上就从属于某一个原子 每个电子都在相对固定的位置 这是我们前面所说的 所有假设的前提啊 只有这样 我们才能说一束光斜着 穿过一片折射率变化的区域 比垂直穿过更有机会遇到更多的电子 对吧 但是啊 金属就不一样了 在金属的内部 所有金属原子最外层的 电子都是自由流动的 它们不属于任何一个确定的原子核 也正因为这个原因 金属它才会导电
31:27 这也就意味着一束光 不管从什么角度射到金属的表面 还没来得及往里走呢 就有一大群自由电子 一窝蜂的涌上来了 这些电子的响应速度极快 反应的强度也极大 它们对光的电磁场产生的是 一种几乎瞬间完成的反应 为什么它没有菲涅尔效应呢 因为金属的反射率在垂直 入射的时候就已经顶格了 前面咱们说的大理石 垂直来看只有4%的光弹回来 斜着看 弹回来90% 所以视角变化的时候 你会看到反射光明显的亮和暗的变化 也就是菲涅尔效应 而金属呢 垂直看 自由电子就已经把95%
32:14 以上的光弹回去了 那当你斜着看的时候 虽然反射率可能从95%提高到了98% 但是对于人眼来说 这一点点的变化 几乎不可以察觉 还记得我们前面说的反射 发生在折射率改变的地方吗 光在进入金属的一瞬间 波的振幅就会发生指数级的衰减 它还没来得及感知到折射之前 就被流动的电子云给 暴力的弹了回来了 所以菲涅尔效应对于 金属来说几乎是不可见的 那既然说到这了 咱们肯定就得问问 这金属中的自由电子又是怎么来的呢 规律就藏在咱们熟悉的元素周期表里 说到这我又要给大家讲中学知识了啊
33:00 咱们节目里每次讲到这部分知识呢 就会有一些小伙伴出来批评我说 哎这知识不是中学的时候都讲了吗 我觉得啊 对于大多数人来说 还能保持一些中学 时期对物理的好奇心那就不错了 至于具体的知识啊 可能早就还给体育老师了 那咱们就再来说一下啊 如果你打开一张元素周期表 你会看到一条很明显的斜着的分界线 分界线的左下方都是金属 分界线的右上方都是非金属 呃 如果咱们说中文就非常省事了 所有带金字旁的元素都集中在左下方 那么在我放的这张图里 或者你能找到的任何一张元素周期表里 你都可以看到这个现象啊 就是大部分位于左下方的是金属
33:47 少量位于右上方的是非金属 严谨一点来说呢 中间还有一部分叫过渡元素 但是别误会 它们不是介于金属和 非金属之间的第三种元素 咱们今天说的主角金元素啊 也在过渡元素里 不过它妥妥的也属于金属 这个过渡元素具体是什么意思 在今天的话题里不太重要 我们就先不展开了 总之呢 你可以发现元素周期表 上是有这样一种规律的 越往左金属性越强 越往下金属性也越强 其实原因并不难理解啊 因为元素周期表的总体规律是这样的 所有元素的每个原子中心 都有带正电的原子核嘛 这个原子核外面围绕
34:34 着带着负电的电子 电子是一层接一层排布的 排布满了一层 就接着往外头一层排布 元素周期表里的元素 从左往右 意思是层数不变 最外层的电子数呢 从一个增加到8个 8个就满了 再加新的电子就得再往外排一层 也就是进入到元素周期表的下一行 那么在同一层 越是往左看 最外层的电子数越少 金属性就越强 我们再从上到下看 同一列里面的元素 最外层的电子数是不变的 是电子层数从一层增加到7层 那越是往下看 电子的层数越多 金属性也越强
35:19 那么为什么最外层的电子数越少 或者是电子的层数越多 金属性就越强呢 因为电子们住在原子的公寓里 有这么一个8电子规则 诶 除了第一层就是氢和氦 只需要两个电子就满员之外啊 对于大多数原子来说 最外层要凑够8个电子 它就达到了某种稳定的状态 什么叫稳定的状态呢 就像是一个吃饱了饭躺在沙发上的人 他不想动也不想跟任何人交流 代表元素就是周期表每 一层最右边的那一位 它们都是惰性气体 就是懒惰的惰 它们几乎不跟任何元素产生化学反应 因为外层电子满了8个了 它们满意了 那么相反
36:05 不稳定的状态就是 最外层不够8个电子的 这些元素满脑子里想的都是 我要么赶紧抓几个电子过来 把最外层凑够8个电子 要么干脆把多出来电子给它扔掉 于是他们就开始互相 寻找需求匹配的其他元素 这个就是化学反应的根本原因了 我们举个最常见的例子 钠元素排在第三排的第一个 它的最外层只有一个电子 那离8个还差7个 去抢7个电子 这就太累了 所以呢 它特别想把这个电子送给别人 送掉之后 原来的第二层就变成了最外层 那一层刚好是满员的8个 它就满足了 而氯元素呢 它排在第三排的第七个
36:51 它的最外层有7个电子 离8个电子只差临门一脚了 它的原则就是谁给我一个电子 我就跟它做朋友 这就是为什么钠和氯会一拍即合 一个想扔电子 一个想抢电子 两个人一交换电子 变成了氯化钠 也就是食盐 那大家都满意了 那么现在你就知道为什么在 元素周期表上越往左金属性越强了 左面的元素 它们最外层的电子数量很少 比如说通常只有一到两个 那与其去抢六七个电子 不如直接把这一个丢掉 来的更方便 那么越往下为什么金属性越强呢 原因在于越往下 原子的个头就越大 那这个电子的楼层就越多
37:38 而住在最外层的电子离原子核太远了 所以原子核对它们的掌控力更小 也就更容易丢掉这些电子 那我们说的这个更强的 金属性是什么意思呢 就是所有更容易把电子送出去的元素 都是有更强的金属性的 那么如果把这些金属性强的元素给聚在一起 大家谁都想把电子送出去 谁都不想要新的电子 那么这些电子干脆就 脱离了原来的原子核 不再属于任何一个特定的原子 而是在整个原子阵列中自由的穿梭 这个时候 原来的那些原子都失去了电子 变成了带正电的阳离子 这些阳离子就像是整齐的桩子一样
38:23 排列在固定的位置上 而那些脱离了束缚的电子 则像是水一样充斥在这些桩子之间 它产生的吸引力就像胶水一样 把所有的阳离子紧紧的粘在一起 这个就是我们经常说的金属键 这种大家都不想要电子 结果电子们就变成了大家共有的状态 导致金属内部形成了 一个完美的高导电 同时高反射的环境 当一束光 也就是电磁波闯进了这样的环境 那一刹那 所有的自由电子都在一瞬间涌上去 通过咱们上面说的那个流程 把光都给反射出去 于是就形成了我们熟悉的不受 菲涅尔效应影响的金属光泽
39:09 好了 那说到这 我们终于把金属为什么有 特别的金属光泽给说清楚了 那接下来你是不是觉得就简单了 我们把金属光泽给配上不同的颜色 不就是不同的金属了吗 比如说金子就是黄色的嘛 那这种黄色的东西有了金属光泽 看起来就是金子了 对不对 我没有办法说这样的 说法到底是对还是不对 这取决于我们怎么 定义到底什么是颜色 而我能确定的告诉你的是 金子让我们看到的那种黄颜色 跟一根香蕉 跟一个黄色的塑料球 它们看起来的黄色 原理是完全不一样的 金子看起来的那种黄颜色 来源是一种相对论效应 或者换句话说
39:55 如果没有爱因斯坦的相对论 金子它本来的颜色应该和银是一样的 是银白色的 诶 这么听起来是不是又高级起来了 那么在说原理之前 我还是要问你个问题 根据你的回忆 一个表面是黄颜色的 表面抛光的很亮的塑料球 和一个黄金的球 它们看起来都是黄颜色的 但肯定是哪里不一样 哎 你能说出是哪不一样吗 你看 这又是一个你的眼睛知道 但是你的心里不知道的事 这张图左面是一个表面很光滑的 黄颜色的塑料球 右面是一个黄金的球 它俩显然金属光泽是不一样的 左边的球受到菲涅尔效应的影响更大
40:43 这个区别咱们前面已经说过了 你可以直接忽略不计 重点在于我在这两个球的中间 放上了一个纯白色的小灯泡 这个灯泡肯定会在两个球上 产生同样的倒影对不对 但是如果你仔细观察就会发现 这盏白色的小灯在黄颜色的塑料球上的倒影 它还是白色的 但是这个白色的小灯 在黄金球上的倒影 它就不是纯白色了 而是变成了金色 你回忆一下 是不是一个很光滑的塑料 它们本身该是什么颜色就是什么颜色 而它们边缘的那个反光的部分 是忠于原本世界光的颜色的 白色的外界光源反射出来就是白色的高光
41:29 换句话说 塑料的固有颜色和反射的颜色 是一码归一码的 但是黄金就不一样了 黄金球上所有东西的倒影 都会被添加上一层金色的滤镜 而我们的眼睛看到这两者的区别 一下子就能判断左边是塑料 右面是黄金 那接下来我们就要说一说 我们的脑子不知道的事了 也就是相对论效应给 黄金带来的金色滤镜 它到底是怎么个事 我们前面说金属里有大量的自由电子 但你要知道的是金属 里不只有自由电子 自由电子是金属元素最外层 想要抛弃的那部分电子 对吧 而在原子的内层
42:14 还有守在原子核附近的被束缚住的电子 它们和光之间还有另外一种作用 我们来回顾一下前面说的 光被反射这个现象 在量子力学的视角来看 是怎么一个过程啊 我们说电子会吸收光的能量 这个电子会从低能级跃迁至高能级 但是一个电子从低一级的轨道 跃迁到高一级的轨道 需要的能量是固定的 如果这个能量正好等于 那个光子携带的能量 那光子就被吸收了 但是世间的事没有那么巧 更大的可能性是由于这个电子的能级结构 不匹配这个光子 所以电子没有办法真正的吃下它 于是发生了一个极其短暂的量子过程
43:02 光子先是撞上了电子 电子瞬间借用了这股能量 进入了一个虚态 这个状态在物理定律中 是不允许长期存在的 那这个电子由于不能待在虚态 必须在极短的时间把能量吐出来 重新产生一个光子 表现形式就是重新发射出 一束与入射光频率一致 方向对称的电磁波 也就是光 这个微观上的量子力学现象 在宏观上就呈现出我们 前面说的光被反射了 但是啊 如果你仔细听的话 这里存在着一种特例 那就是如果一个光子的能量 它恰好等于这个电子从一个低能级 跳跃到一个高能级所需要的能量
43:48 那它就跑不了了 被吸收掉了 光子的能量在这个过程中 会转化成单个电子的势能 而光的能量和什么有关系呢 唉 跟它的频率有关系 这个频率越高 能量就越高 而我们日常所说的一束光啊 基本都是复合光 它不是单频率的光 也就是频率从高到低的光波组成的一束光 你可以看一看 这张频谱图啊 在光的频谱里面 我们的眼睛只对从紫色到 红色这一段光是有反应的 所以这一段呢 被叫做可见光 那么频率比紫光更高的就叫紫外线 它携带的能量当然也就比紫光更高 频率比红光更低的叫做红外线
44:35 那么一束复合的光照到金属上 就有很大的概率有特定频率的光 被某些电子吃掉 其余的都被反射 也就是只要频率足够多 那总有一款适合你 那么为什么我们之前 说金属反光的时候 没有谈到那些被吃掉的光子呢 因为在大多数的金属里 电子要实现跃迁 吸收能量的这个阈值很高 对应的光的能量 也就是频率也很高 有多高呢 高到超出了可见光的范围 落在了紫外线的区间 换句话说 对于白银来说 它吸收了一部分紫外线 把所有的可见光都反射了 所以我们的感受是
45:21 它是白色的 也就是不给反射的光加滤镜 再加上它本来的金属光泽 总体就体现出了那种银白色 但是金元素就很不一样 金的原子序数是79 原子核很重 带的正电荷非常的多 对内层电子会产生巨大的吸引力 为了不被吸入原子核 金的最内层的电子在学术上叫1S轨道 这些电子必须以非常快的速度运动 经过计算 金内层电子的速度 达到了光速的大概58% 那么达到了这个速度 相对论效应就不能忽略不计了 我们知道 当物体速度运行接近光速的时候 它的质量就会显著的增加
46:07 我们再计算一下的话 金的内层电子质量比静止 的时候增加了大概20%左右 因为电子变重了 为了保持角动量的守恒 电子的轨道半径就会缩小 这种收缩会像多米诺骨牌一样 一层一层的影响到外层的电子轨道 特别是6S轨道发生了非常显著的收缩 比这个6S轨道低一级的叫做5D轨道 呃 这里头为什么叫6S和5D 展开说是个很复杂的事情啊 啊 不影响今天的话题 我们就不展开说了 总之呢 原来电子从5D轨道跃迁到 6S轨道需要特定的能量 而这个特定的能量 对应着特定频率的光 这个光本来也是在紫外线之外的
46:55 即便吸收了 咱们也看不出来什么变化 但是现在 因为相对论的效应 6S轨道发生了显著的收缩 这也就意味着从5D跃迁到 6S所需要的能量变少了 它所需要吸收的光的频率也变低了 从紫外线这个频段来到了 可见的蓝紫光这个频段 那么结果就是 金子虽然依然通过自由 电子反射了大部分光 但是它却扣掉了可见光中的蓝紫色光 那么根据光的互补色原理 反射出来的光就是 金子特有的黄橙色了 没想到吧 一个简单的黄橙色背后却是 高速运转的电子在发挥作用
47:41 那听到这 你可能马上反应 铜也是很特殊的颜色啊 它也是相对论的宠儿吗 和金子一样 铜的颜色也是因为 特定频率的光被吸收 但是原理跟金子不一样 铜的序号比金要低很多 它的原子序数只有29 里面的电子跑得没有金子里那么快 相对论效应微乎其微 但是它的3D到4S轨道的 能量差本来就挺小的 对应的光的能量也比较小 这个能量刚好落在了绿蓝紫的波段 跟金稍有区别 所以当白光照在铜的表面的时候 绿光和蓝紫光也被吃掉了 反射出来的就是光谱 另一端的红色和橙色了
48:26 也就是说 即便没有相对论的加持 铜的那条吸收光子的门槛 本身就设在了可见光的范围内 如果你的好奇心还没有结束 我们再来看看金元素的邻居 元素周期表里面79号是金 它的左右两边的邻居是78号铂 和80号汞 按说它们应该也有相对论效应 为啥它们也是银白色的呢 我们先说这个铂金的铂啊 它的相对论效应只比金稍微弱一点点 但还是很明显的 不过铂和金的电子排布 有这么一个细微的差别 金的5D轨道是被填满的 而铂因为小了一号 它的5D轨道呢 正好还差一个电子
49:13 结果就是在金里面 电子是从满载的5D向着6S轨道跃迁 这个能量差经过了相对论效应的修正 正好对应着蓝紫光 而在铂里面 由于5D轨道本身就有空位 那么电子跃迁的路径和 所需要的能量就更大 哪怕经过相对论的修正 铂吸收的光子还是 发生在紫外线的区域 也就是说 铂也发生了轨道的收缩 但是它的吸收门槛依然没 能卡进可见光的范围里 所以在我们人类的眼睛里 它还是保持了全频段光线的反射 再说汞的情况就更奇特了 它呢比金更重 里面的电子跑得更接近光速
50:00 相对论效应也更强 它的6S轨道在极强的 相对论效应的影响下 轨道向内收缩的太深了 而且能量也压得太低了 低过头了 那低到什么程度呢 这里的电子干脆被紧紧的 束缚在了原子核的附近 导致他们非常的嗯加引号的“内向”吧 它们不愿意和相邻的 汞原子分享电子了 而金属的原子之间本来就是 靠共享电子的金属键结合到一起嘛 那好了 这一不愿意共享电子 连金属键都没了 导致汞在常温下都 没有办法形成固体了 也就是我们经常说的液态的水银 那6S的轨道干脆不能跃迁了 电子们就得盯着下一条轨道了
50:46 在汞原子里面 下一条轨道叫做6D 结果本来要跳到6S的电子 现在要隔一条轨道 跳到更高的6D轨去 需要的能量呢 反倒变大了 于是吸收光子的频率 又落到了紫外线之外 还有很多其他的金属啊 咱们就不一一列举了 总之 我给你这样一个结论 在元素周期表里面 所有天然的纯金属中 金元素是唯一一个因为相对论效应 让原本属于紫外区的 吸收带跨界进入可见光区 并产生标志性颜色的元素 换句话说 只有自然界中的黄金 从上古时代开始 就一直在向人类诉说
51:32 着一个天大的秘密 你看我 我啊 本来应该是银白色的 我为什么是金色的呢 人类啊 你们要仔细想 有一天你们会发现其中的奥秘 那么现在我们可以聊聊 即便不懂相对论效应 我们为什么直接用肉眼就能分辨 金子的黄颜色和塑料球的黄颜色了 咱们先说个不太光滑的东西 比如说黄颜色的香蕉 为什么香蕉看起来是黄颜色的呢 这是由于它果皮里面的色素分子 当一束白光照上去的时候 这些分子因为自身的震动频率 正好能把蓝光和紫光的能量吃掉 并转化成热量 剩下的光被反射出来
52:18 进入我们的眼睛 在我们的大脑里混合成了 一种叫做黄色的信号 接着我们再说一个很光滑的 黄颜色的塑料球 它呢本质上是一个透明的玻璃球里 掺了一堆黄颜色的粉末 一束白色的光线先撞上塑料球光滑的表面 根据我们之前聊的因为 折射率突变而造成的反射 一部分白光直接弹回来 并没有被吸收 剩下的一部分光进入了那个玻璃球里面 和里面黄颜色的颗粒发生了作用 这个作用的原理就和 香蕉皮是一样的了 因为塑料的折射和颜料 的吸收是分开干活的 所以结合我们今天讲的所有的内容 你会看到这样的一个结果
53:04 我给你描述一下 塑料球的边缘表面和 我们的视线接近于平行 所以发生了强烈的反射 同时因为是对可见光全反射 所以白色的灯泡被反射出来 的就还是白色灯泡的影像 它不受黄颜色颜料的影响 到了球的中心 表面垂直于我们的视线 菲涅尔效应发挥作用 反射率急剧下降 我们不再能看到反射的光 取而代之的是我们 能看到圆球本来的颜色 也就是黄颜色 而另外一颗黄金球 看起来就完全不一样了 它不受菲涅尔效应的影响 全身的电子海都在反射光 但是所有被它反射的光都因为 相对论效应被直接扣掉了蓝紫色的部分
53:52 结果就是 我们可以在黄金球上 处处看清外界环境的反光 但是包括那盏纯白色的灯在内 所有的反光都被加上了一层黄橙色的滤镜 说时迟那时快啊 我们用了这么多字来给你描述 但是你的眼睛和大脑即便不知道这些 也一眼就能看出黄色的塑料球 和黄金球是不一样的东西 要不要给我们的眼睛和大脑磕一个呀 那么聊到这 你会不会和我一样 对颜色这个概念有了一种新的认知呢 什么是颜色呀 其实在这个宇宙里 根本就没有一个东西 本来的颜色这个概念 对不对 只有光与观察者之间的互动关系
54:38 你可以说金子它本来应该是银白色 它只是因为有一群被 相对论增重了的电子 所以当白光照过来的时候 这些被相对论增加了 质量的电子吸收了蓝紫光 剩下的光反弹回来才显现出黄橙色 所以金子的黄颜色是 相对论效应强行扭过来的 如果我们活在一个光速更快 相对论效应更不明显的宇宙 金子它应该就是银白色的 你也可以说金子它本来没有任何颜色 如果我们生活在一个恒星不发出白光 而是只发出蓝光的星系里 金子就会变成纯黑色 因为它把所有的蓝光都给吸收了
55:24 在那一刻 它们所谓的本来的黄色消失了 在我们地球人看来 大部分金属都是银白色 这也仅仅是因为被它们吸收 的光线都在紫外线的区域 所有可见光范围内的 光都被反射出来了 但这并不意味着它们本来就是银白色 它们每一个吸收的 紫外光的光谱都是不一样的 如果一个外星人 他的视觉细胞对紫外线也有反应 那在他们看来 那些银白色的金属 就会有完全不同的颜色 所以宇宙中没有颜色 只有不同频率的电磁波 不论这种电磁波是 通过怎样的机制形成的 当不同频率的波撞击到你的视网膜
56:09 有的不会触发任何反应 有的则会触发某种神经信号 你的大脑会给这种 神经信号贴上一个标签 这个标签就叫颜色 好了 那今天的故事差不多就聊到这了 作为一个对科技感兴趣的人和你聊完这些 我忍不住会用一个 新的视角来看待黄金 它之所以迷人 某种程度上是因为它在漫长的百亿年 里保守了一个关于宇宙底层的秘密 当你凝视一枚金戒指的时候 你看到的可不仅仅是财富 你还能看到金原子核附近那些电子 正在以17万公里每秒的极速疯狂的 旋转 你还能看到爱因斯坦的 相对论强行的扭曲了时空
56:57 将那一抹原本不会被我们看到的 高贵之光拽入了人类的视野 那些最深的秘密 原来一直都躺在大自然的矿场里面 给我们打着名牌 等着我们去发现 当然了 我们的祖先们不会以 这样的视角去看待黄金 但他们依然会被黄金的那抹金色所迷倒 而如果没有这份 量子力学和相对论的作用 黄金这个东西将会是普普通通的色泽 也压根不会有黄金这个词了 那么一切与黄金有关的 人类几千年的文明进程 对太阳色的疯狂崇拜 乃至那些波澜壮阔的战争与史诗 可能都会因为这区区几十纳米
57:42 的轨道收缩而被彻底的改写 不知道漫画家荒木飞吕彦先生 有没有读到过这些相关的知识 我猜如果他知道的话 可能会很愿意把这个设定写进 《JOJO的奇妙冒险》里的黄金精神中吧 所以啊 在我看来 金子的贵重或许不只是因为它的稀缺 更因为它是大自然写给 我们人类的一封亲笔信 小到电子 大至星辰 它们运行的秘密法则 都写在这一抹高贵的金黄色里
