冬日的物理实验室里,暖气开得很足。孟川面前的长桌上,摆着一个透明的水族箱,里面注满了清水。他手里拿着一个带细管的注射器,轻轻挤压,一串大小均匀的气泡便从箱底袅袅升起。
“同学们,注意看这些气泡。”孟川指著水中上升的气珠,“有没有发现,它们看起来特别亮,特别醒目,甚至有点刺眼?”
学生们凑近观察。的确,那些透明的水泡在水中异常明亮,像一颗颗小银珠,与周围的水体形成了鲜明对比。
“为什么会这样?”孟川抛出问题,“气泡是空气,水是水,都是透明的。为什么空气泡在水里会显得这么亮?”
教室里安静下来,学生们皱起眉头思考。这是个太常见又太容易被忽略的现象——谁没看过水中的气泡呢?但谁又认真想过它为什么亮?
孟川没有直接给出答案。他拿起一根玻璃棒,插入水中。“看,玻璃棒在水里,虽然也能看见,但没那么亮。”接着他又放入一块透明的塑料片,“这个也是。”
最后他再次制造气泡:“唯独气泡,亮得反常。”
天幕在这一刻亮起,将这个简单却深刻的对比实验,投射到万朝天穹。
战国,齐国沿海。
一位老珠民正在海边采集珍珠。他潜入浅海,在礁石间寻找牡蛎。海底的光线经过水层折射,显得朦胧柔和。但每当有气泡从他口中或缝隙中升起时,那些气泡便如银丸般醒目,在昏暗的海底划出亮晶晶的轨迹。
老珠民对此习以为常,甚至觉得理所当然——气泡嘛,当然亮。就像鱼会游、鸟会飞一样,是天经地义的事。
然而当天幕亮起,孟川提出那个问题时,老珠民刚从海中浮起,正好看见。他愣住了,抓着湿漉漉的头发,看着自己身边还未消散的细碎气泡。
“是啊,为啥呢?”这个他从未想过的问题,此刻像那些气泡一样,从脑海深处浮起,亮得让他无法忽视。
实验室里,孟川开始引导学生思考。
“我们先回忆一下上节课的内容。”他在黑板上画出光路图,“光从空气射入水中,发生折射,折射角小于入射角。那么反过来,光从水中射向空气时呢?”
物理课代表小周举手:“光从水到空气,折射角大于入射角。而且当入射角大到一定程度,光就不能射出水面了,会全部反射回水中。3疤看书徃 首发”
“很好!”孟川赞许道,“这个‘大到一定程度’的临界角度,就是今天要讲的核心——全反射发生的条件。”
他继续画图,标出临界角:“当光从光密介质射向光疏介质时,如果入射角大于等于临界角,就不会有折射光,所有光都会被反射回原介质。这就是全反射现象。”
然后他回到气泡的问题:“现在看这个气泡——它是空气,是光疏介质;周围是水,是光密介质。光从水中射向气泡时,”
他在气泡表面画出入射光线:“由于气泡是球形的,大部分光线射到气泡表面时,入射角都很大,超过了临界角。于是,光全部被反射回水中。”
他又画了几条光线,展示光线如何在气泡内表面多次反射:“这些被反射的光进入我们的眼睛,我们就看到了一个异常明亮的气泡。简单说——气泡亮,不是因为它在发光,而是因为它把周围的光都‘困住’了,反射给了我们。”
为了验证,孟川做了个对照实验:他在水中放入一个装满空气的透明玻璃小球。小球也是空气,但外面包了一层玻璃。
“看,这个玻璃空气球,就没那么亮。”他展示道,“因为光要先从水进入玻璃,再从玻璃进入空气,最后还要从玻璃穿回水中。路径复杂,损耗大,所以不如纯气泡亮。”
学生们恍然大悟。原来这么简单的现象,背后是这么精妙的原理。
宋,汴京,皇宫御花园。
徽宗皇帝赵佶正在池边观鱼。这位艺术皇帝最爱园林之趣,尤其喜欢看锦鲤在池中游弋时带起串串气泡。他觉得那些亮晶晶的气泡颇有画意,曾令画院画师仔细描摹,收入《宣和画谱》。
此刻天幕亮起,他正看到孟川讲解全反射原理。当听到“气泡亮是因为困住了光”时,赵佶手中的鱼食洒了一半。
“困住光。”他喃喃重复,盯着池中正在升腾的气泡。
以往他只觉得气泡美,是“鱼戏莲叶间”的灵动点缀。而今方知,那美是有道理的——是光与水与空气,按照某种精确的规则,合作演出的奇迹。
他忽然对身边的画院待诏说:“传朕旨意,画院增设‘格物斋’。今后画师作画,不能只摹形,还要懂理。画水要知水之性,画光要懂光之道。”
待诏迟疑:“陛下,画师多是文人,于物理一道不甚精通。”
“那就学!”赵佶斩钉截铁,“那位孟先生说得对,懂了道理,才能更深刻地表现美。你看这气泡——知其所以然,再看它,是不是更觉神妙?”
他俯身细看池中气泡,第一次不是用文人的眼睛,而是用求知者的眼睛。那亮晶晶的小球里,仿佛囚禁著一整个被驯服的光之宇宙。
孟川开始拓展全反射的应用。
“理解了全反射,我们就可以利用它。”他拿出一根弯曲的透明亚克力棒,用手电筒从一端照射,光线在棒内蜿蜒前进,从另一端射出,几乎没有泄漏。
“这就是上节课提到的光导纤维的原理。”孟川讲解道,“光在光纤内发生全反射,就像在管道里流动,可以传输很远而不衰减。”
他播放了一段光缆施工的视频:海底,粗大的光缆被敷设到数千米深的海床;沙漠,光缆穿越千里无人区;城市地下,光缆如血管般密布。
“我们现在能上网、能打视频电话、能看天幕直播,”孟川说,“靠的就是这些利用全反射原理的光纤,把信息以光速传递全球。”
接着,他又展示了钻石:“钻石之所以‘火彩’耀眼,除了色散,全反射也至关重要。光进入钻石后,在内部多次全反射,最后集中从某个角度射出,才显得那么璀璨。”
明,南京天工局。
宋应星看着光纤传输光的演示,呼吸急促。
“光可以这样走?”他盯着那根弯曲的透明棒,光线在其中如游龙般穿行,“不走直线,随管弯曲,而不外泄?”
旁边一个年轻工匠激动地说:“院正,若是能造出此物,传递军情、政令,岂不比八百里加急快千万倍?”
宋应星何尝不知。但他更清楚,眼前这看似简单的透明棒,背后是极其精密的材料科学和制造工艺。
“记下来。”他还是下令,“全反射之应用:一可使光曲行,二可使光聚强。前者可传讯,后者可增辉。”
他停顿了一下,补充道:“然我朝目下,恐难为之。所需透明纯净之材,精密控制之艺,皆非目前所能及。”
这话说得很沮丧,但也是事实。天工局连个合格的三棱镜都还没磨出来,何况光纤?
但宋应星没有放弃。他在《天工开物》的新章节中写道:
“后世有光导纤丝,细如发,透如晶,光行其中,千里不衰。此物之成,非一日之功,必累世钻研透明材质、光行原理、抽丝技艺,方可得。今虽不能至,然当知方向——欲得此技,先通此理。”
这或许就是天幕教学最大的意义:不是给现成的答案,而是指明朝哪个方向努力。
课堂进入后半段,孟川开始讲全反射在自然界的其他体现。
“除了气泡,自然界还有很多全反射现象。”他展示了一张照片——蜻蜓翅膀在阳光下闪耀虹彩,“昆虫翅膀的微观结构,能对光产生全反射和干涉,形成结构色。”
又展示猫眼石的照片:“某些宝石的‘猫眼效应’,也是内部纤维状结构导致的全反射。”
最让学生们惊叹的,是“海市蜃楼”的新解释。
“我们之前讲过折射造成的海市蜃楼,”孟川说,“但还有一种‘下现蜃景’,比如沙漠中看起来像水面的幻象,其实是天空的光经过不同温度空气层时发生全反射,把天空的影像‘投射’到了地面。”
他播放了一段沙漠旅人追逐水塘却永远追不到的影片,解释道:“那‘水塘’其实是天空的倒影,因为全反射,看起来像在地面上。”
一个学生举手:“老师,那‘鬼火’呢?是不是也是全反射?”
孟川笑了:“‘鬼火’是磷化氢自燃,化学现象。但民间传说里那些‘找不到光源的光’‘忽然亮起的灯笼’,有些可能是全反射造成的光学幻象——比如远处车灯的光,经过特殊的大气条件,被反射到完全不同的方向。”
他总结道:“所以,很多看似神秘、灵异的现象,背后可能是我们还没完全理解的物理原理。科学不是消灭神秘,而是把‘不可知的神秘’变成‘可知的奥秘’。”
清,山东某地,乡野客栈。
几个赶考的举子正在夜谈。其中一个说起家乡的怪事:村后老坟地,月圆之夜常有幽蓝光点飘浮,村民谓之“鬼火”,无人敢近。
正说著,天幕亮了。他们看到孟川讲解全反射,听到那句“很多看似神秘的现象,背后是物理原理”。
说故事的举子愣住了。
“难道,”他迟疑道,“我们村的‘鬼火’,也是什么‘全反射’?”
另一个举子胆子大:“考完回乡,咱们去看看!带几面镜子,看看能不能找到光源!”
“你疯了?那是鬼火!”
“孟先生说了,可能是光被反射了。如果是反射,就有光源。找到光源,就不是鬼了。”
几个年轻人对视一眼,心中那点对未知的恐惧,渐渐被求知的好奇取代。
原来,世上许多“鬼”,只是还没被理解的“理”。
课堂最后,孟川回到最初的问题。
“现在我们明白了,气泡亮是因为全反射。”他总结道,“但我想告诉大家的是——这个道理,不是牛顿或者哪个科学家凭空想出来的。”
他讲述了发现史:“最早系统研究全反射的是阿拉伯学者海什木,在11世纪。他观察了水中气泡,观察了宝石的光泽,提出了初步解释。然后经过开普勒、斯涅尔、笛卡尔等几代人的完善,才形成今天完整的理论。”
“科学是累积的,是站在巨人肩膀上的。”孟川说,“我们今天能坐在这里,用一节课就理解气泡为什么亮,是因为有前人几百年的探索。”
他关闭水族箱的灯,气泡在自然光下依然明亮。
“所以,下次你们看到水中的气泡,看到钻石的火彩,看到光纤里的光,”孟川微笑道,“不仅看到美,还能看到美背后的道理,看到人类几百年探索道理的历程。”
“这就是物理学的浪漫——它让我们在平凡的世界里,看见不平凡的秩序。”
下课铃响了。
孟川布置的作业是:“观察生活中至少两个可能是全反射造成的现象,并提出验证方法。”
万朝天穹下,无数眼睛看着水,看着光,看着那些曾被忽略的“明亮”。
渔夫看着渔网拉起时带出的气泡,不再觉得那是寻常。
匠人看着自己打磨的水晶,开始思考角度、切面、光路。
文人看着诗词中“浮光跃金”的描写,忽然想——那“跃金”是不是就是全反射?
而最深远的冲击,或许在于那个理念:
很多神秘,只是还没被理解的物理。
彩虹不是神迹,是色散。
气泡不是精灵,是全反射。
那么闪电呢?极光呢?梦中那些无法解释的光影呢?
也许,都是有道理的。只是我们还没找到那个道理。
光幕缓缓消失。
但实验室里,水族箱中的气泡还在上升,一颗颗,亮晶晶。
像无数个被捕捉又释放的太阳。
像文明长河中,那些不断升起、不断被理解、又不断启发新问题的——
光的种子。