地球/2c. 电磁辐射和黑体辐射
在 1891-92 学年，一位名叫 亨丽埃塔·勒维特 的年轻女性参加了一门天文学课程，这改变了她的一生。她在课堂上对星星产生了浓厚的兴趣。这门课程是由于哈佛附件的 女子大学教育协会 才能开设，而且当时女性不允许进入主要的 哈佛大学 学习。在毕业那年，勒维特对课程产生了兴趣，并且渴望以全职职业来研究星星。在课程结束后，甚至在大学毕业后，她都开始在 哈佛大学天文台 做志愿者，整理用大学的新型高倍望远镜拍摄的星星照片。研究人员利用这些照片对星星进行编目，记录它们的颜色和亮度。
天文学家对测量地球到这些夜空中观测到的星星的距离非常感兴趣。多年来，科学家通过测量一种叫做视差的东西来确定月球和太阳的距离。视差 是指从不同的观察位置观察物体时，物体的位置看起来不同的现象。例如，闭上一只眼睛，举起你的拇指，用拇指对准远处的一个物体。如果你换眼，你会注意到远处的物体相对于你的拇指跳到了另一个位置。使用一些基本的数学，你可以计算出物体离你的距离，因为物体越近，它根据你的观察点位置变化的位置就越大。然而，当距离非常远时，地球上不同观察点位置的差异相对于物体距离来说太小了，无法测量。星星距离地球太远，无法测量地球到星星的实际距离，科学家渴望了解宇宙的大小和维度。
亨丽埃塔·勒维特 发现测量这些恒星距离的工具的旅程漫长而艰辛。虽然她开始着手撰写一份关于她观察结果的报告，但她被欧洲旅行和搬到威斯康星州打断了，在那里，她没有教科学，而是到 贝洛伊特学院 教艺术。她在威斯康星州的经历和寒冷的气候使她病得很重，失去了听力。她因病终生失聪，写信给哈佛大学，希望在那里获得工作，帮助整理和研究星星的照片，这仍然是她感兴趣的事情。她回到自己的工作岗位，并取得了重大发现。
天文学家通过测量一颗星星的亮度来测量它的视星等。远处的巨大恒星与较近的较小恒星的亮度相同，因为无法确定星星的距离并确定一颗星星的绝对星等。星星的视星等是通过天文台望远镜拍摄的照片来测量的，但亨丽埃塔·勒维特在她编目的 1,777 颗星星中观察到一种奇怪的关系，她观察了位于小型 麦哲伦星云 中的 25 颗恒星，这些恒星被认为与地球的距离大致相同。这些星星在一个星团中，彼此靠近。此外，这 25 颗恒星被认定为 造父变星，它们是亮度会在几天到几周的时间内脉动变化的恒星。
亨丽埃塔·勒维特仔细测量了这些星星的亮度，持续了几周，并确定了亮度脉动的周期性，发现星星越亮，它亮度脉动的周期性就越长。由于这些星星距离地球大致相同，这种关系表明了一种方法，通过观察亮度脉动的周期性来判断一颗星星距离地球的距离。如果两颗星星的亮度相同，但一颗星星的亮度脉动周期性更长，那么亮度脉动周期性更短的星星就更近。因此，亨丽埃塔·勒维特发现了一个测量宇宙的标尺。她在 1912 年发表了她的发现，在一篇简短的 3 页论文中，她向她的主管 爱德华·皮克林 口述了这篇论文。她的发现后来变得十分重要，但首先，你应该了解光的真实本质。
什么是光？对于艺术家来说，光是一种观察的游戏，因为没有光，就无法看到，只有黑暗。历史上，光被认为是一种思维的产物，是你如何用眼睛观察周围环境的，但几个世纪的实验表明，光是由能量从外部释放到周围环境中而产生的。一个很好的比喻是想象一个球在滚动上坡和下坡。利用诺特定理，我们可以推测这个球在山顶位置和山底位置之间振荡，在山顶位置，能量以势能的形式存储，而在山底位置，能量以动能的形式释放，导致球滚过下一个山丘。由于它以光速传播，因此该球在滚过下一个山丘时不会因熵而损失能量。
这种运动的无质量球被称为光子，山丘之间的距离被称为波长。因此，光可以被看作是粒子又是波。山丘或波长可以垂直、水平或对角地以任何方向相对于光子的运动路径进行排列。偏振光是指排列方向限制在一个方向上的光。
如果您曾经在电影院观看过现代 3D 电影，电影制作人会使用 偏振镜 在 3D 眼镜中同时投射两组图像，右眼的光线朝一个方向定向，而左眼的光线朝另一个方向定向（通常是垂直的）。因此，模糊的电影图像可以被分解成两张独立的图像，分别对应两只眼睛，同时呈现，制造出立体感的错觉。如果您将 3D 眼镜中的两个镜片剪下来，您可以将它们垂直放置，这样其中一个镜片只允许垂直方向的光波通过，而另一个镜片只允许水平方向的光波通过，从而导致黑暗。
这被称为 **交叉极化**，因为没有光线能够穿过。 但是，您可以在 偏振光 的两个镜片之间放置一个晶体或镜片，它可以以不同的方向弯曲或反射光线，这样做将允许一些光波在两个镜片之间弯曲或改变方向，从而允许光线穿过之前的黑色镜片，这被称为 **双折射**。 双折射是材料的一种光学性质，它具有依赖于光线偏振和传播方向的折射率。 它是晶体学中的一个重要原理，并且导致了 液晶显示器 (LCD) 平板电视显示器的突破，这些显示器被广泛地悬挂在世界各地体育酒吧、机场和客厅的墙壁上。 不同的电压可以施加到每个液晶层，代表屏幕上的单个像素。 此电压会改变晶体的双折射，允许光线穿过之前阻挡光线的顶部偏振镜。 可以使用彩色滤光片添加颜色。 因此，如果您正在电子 LCD 上阅读这些文字，那么这很可能是由于这种 偏振光 方向的弯曲才使得您能够做到这一点。
光的波长和颜色
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光子粒子以光速或接近光速的最大速度传播，但可以具有不同的能量，这取决于波长的距离。 在紧密间隔的陡峭山丘上反弹的光子具有比在距离较远、坡度较缓的山丘上反弹的光子更多的能量。 使用这个类比，光既表现为粒子，又表现为波。 这一点首先由 托马斯·杨 （这位翻译了埃及象形文字、创造了“能量”一词的多面手）在 1801 年证实，他在一张纸上开出两个狭缝，让光线穿过它们，结果在屏幕上显示出奇怪的图案，因为光波彼此相互作用，导致投射到屏幕上的光出现干涉图案。 类似于当两块石头被丢入水中时，在水池中看到的波纹。 这种干涉是由两束光波相互交叉造成的。
正常阳光看起来是白色的，但实际上是由不同波长传播的光的混合物，浅紫色光以最短的波长传播，平均波长为 400 纳米（1 纳米 = 0.000000001 米或 1x10-9 米），而深红色光以最长的波长传播，平均波长为 700 纳米。 可见光谱中颜色顺序的助记符 ROY G. BIV 是一个有用的助记符，用于从最长波长到最短波长的颜色顺序。 红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色、紫色，其中红色具有最长的波长，因此能量最小，而紫色（或紫色）具有最短的波长，因此能量最大。 光可以沿高于和低于这些值的波长传播，这种特殊的光被称为 **电磁辐射**，它指的是整个光谱中可见光和不可见光。
正常阳光看起来是白色的，但实际上是由不同波长传播的光的混合物，浅紫色光以最短的波长传播，平均波长为 400 纳米（1 纳米 = 0.000000001 米或 1x10-9 米），而深红色光以最长的波长传播，平均波长为 700 纳米。 可见光谱中颜色顺序的助记符 ROY G. BIV 是一个有用的助记符，用于从最长波长到最短波长的颜色顺序。 红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色、紫色，其中红色具有最长的波长，因此能量最小，而紫色（或紫色）具有最短的波长，因此能量最大。 光可以沿高于和低于这些值的波长传播，这种特殊的光被称为 **电磁辐射**，它指的是整个光谱中可见光和不可见光。
阳光
[edit | edit source]阳光包含可见光和不可见光，因此科学家将这种能量称为 **太阳的电磁辐射**。 **红外线** 光是指波长比可见光更长的光，而 **紫外线** 光是指波长比可见光更短的光。 紫外线（UV）光含有更多能量，长期暴露在紫外线下会导致晒伤，最终导致皮肤癌。 防晒霜会阻挡这种高能光线照射到皮肤，而 UV 防晒镜会阻挡这种有害光线照射到眼睛，导致白内障。 低能红外线在“夜视”镜的开发中很重要，因为这些眼镜会将低能红外线转移到可见光谱中。 这对于热成像很有用，因为更热的物体将显示出比更冷的物体更短波长的红外线。 电磁辐射频谱中能量最高的电磁辐射是 **伽马射线**。 这种波长非常短的电磁辐射是首先从太阳核心中核裂变中产生的光类型。 伽马射线能量如此之高，以至于它们可以穿过固体物质。 虽然漫画中经常将伽马射线作为超能力的来源，但伽马射线是最危险形式的电磁辐射，事实上，来自核聚变和核裂变的这种“辐射”导致了一种可以穿过材料的光形式，例如活的动植物的组织，并且在这样做时会严重破坏这些生命形式中的分子，导致疾病和死亡。 稍微低一些，但仍然具有高度能量的电磁辐射是波长较短的 **X 射线**，它们也因其穿透物质的能力而闻名，医生会使用它们来查看你的骨头。 X 射线也会损害活组织，长期暴露会导致癌症和活细胞损伤。 核辐射是伽马射线和 X 射线两种短波电磁辐射的总称，它们可以穿过材料，只能被由高原子量原子组成的材料（如铅）阻挡。 接下来是波长稍长的紫外线，然后是我们可以看到的 **可见光**，这是一个非常窄的光波带。 在可见光下方是 **红外线**，它是一种能量低于可见光的电磁辐射，由温暖的物体发出。 令人惊讶的是，一些最长波长的电磁辐射是 **微波**，它们低于红外线，波长介于 1 到 10 厘米之间。 微波是在雷达通信中开发的，但人们发现它们是一种有效的方式，可以加热被这种波长的电磁辐射以大振幅轰击的水分子。 如果你正在无线使用 WiFi 连接互联网，那么你的数据正通过大约 12.5 厘米的波长发送到你的电脑或平板电脑，略低于微波频率，并在电磁辐射的最长波长范围内 - **无线电波**。 无线电波的波长可以超过一米，这意味着它们在电磁辐射范围内携带的能量最少。
光的波长、能量以及您如何看待世界
[edit | edit source]在波长和光子携带的能量之间存在着重要的关系。 如果波长很短，光子必须比波长更长的光子走更长的绝对距离，而波长更长的光子走的是更直的路径。 光波就像观察两辆在同一时间完成比赛的赛车，但其中一辆赛车必须走一条更弯曲的路线，而另一辆则走了一条更直的路线。 光线只有在与质量相互作用时才会转换为更长的波长并降低其能量，光波撞击的质量越大，其能量降低得越多，产生的波长就越长。 这就是您观察宇宙、这就是您如何看待世界的！ 光子在与质量碰撞时，会转换为更长的波长，并表现出更少的能量，这些能量中的一部分会转移到原子，从而导致热量。 这种波长的变化会导致任何具有足够质量的物体通过改变波长反射不同颜色和色调的光线。
颜色系统
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颜色 是每个艺术家都理解的东西，但现代色彩科学的出现却与一幅美国历史上最著名的盲人之一的肖像画有关，海伦·凯勒。海伦·凯勒出生时有视力和听力，但在婴儿时期因病迅速失去了视力和听力。她终身被困在黑暗和寂静中，学会了用手语交流，通过触觉。后来，她写了许多书，并继续为妇女争取平等权利。她非凡的故事引起了公众的广泛关注，1892年，一位名叫阿尔伯特·H·芒塞尔的艺术家为她画了一幅肖像。芒塞尔为海伦·凯勒画了一幅油画，现收藏于美国盲人基金会，两人也成为了好朋友。这次经历对阿尔伯特·芒塞尔产生了持久的影响，他随后开始研究颜色，试图像一个好奇的科学家而不是一个艺术家那样去理解颜色。芒塞尔专注于风景画，他可能了解艺术家们用来限制光线以捕捉明亮的陆地或海洋景观的独特方法。这是通过在要绘制的景物前放置一块红色玻璃板来实现的。由于红色在可见光谱中波长最长，因此波长会向更长的波长方向移动，超过了我们所能看到的范围，更短的波长变得如此低，以至于它们变暗或消失（如红外线），而更亮的光线则只会产生红色的可见光。因此，光线的明暗度在绘画或素描中更容易表现出来。
芒塞尔开始根据灰度对颜色进行分类，从 0 代表纯黑色到 10 代表纯白色，在这两个值之间有各种灰度。这种对颜色的度量称为明度，如果在所有颜色上放置一个红色滤镜，或者用现代方法，对颜色拍摄黑白照片，就可以看到明度。例如，如果一种深黄色的油漆与一种鲜红色的油漆具有相同的明度，在黑白照片下，两种颜色看起来会完全一样。色相是指颜色名称；红色、黄色、绿色、蓝色、紫色和紫罗兰色，代表可见光谱的波长。颜色的最后一个分类是芒塞尔称之为彩度的东西。彩度是指颜色的浓度，例如，高彩度的颜色会像霓虹灯一样，非常明亮，令人讨厌。这些高彩度颜色是由波长振幅较高的光波引起的。振幅是衡量光波高度或波峰高度的指标，它是光除了波长、能量和方向之外的另一个参数。
阿尔伯特·芒塞尔对自己的新色彩分类印象深刻，他开始在波士顿对四年级到九年级的学生进行关于他新色彩理论的教育，作为一种新的小学美术课程。芒塞尔的色彩分类对社会和工业产生了深远的影响，新一代学生从小就接受了关于色彩的教育。他的色彩分类导致了时尚、设计、艺术、食物、烹饪和广告的深刻变化。但他的色彩科学也对哈佛大学的亨丽埃塔·勒维特产生了深远的影响。阿尔伯特·芒塞尔受爱德华·皮克林的邀请，为皮克林指导下的女天文学家们作了演讲。
虽然勒维特没有听到阿尔伯特·芒塞尔的演讲，因为她那时已经失聪了，但她无疑看到了他的色彩分类，并且可能意识到色相（光的波长）和彩度（光的振幅或亮度）之间的差异很重要。不久之后，她就发表了她著名的 1912 年论文，该论文发现了恒星亮度（视星等）与其周期性之间的关系。这篇论文在小型天文学界引起了震动，因为它提供了一个测量宇宙的标尺。
天文学家们渴望尝试使用这个新工具来测量到恒星的距离。然而，早期的尝试产生了不同的距离。最早的系统性尝试之一是由哈罗·沙普利提出的，他是位于南加州的威尔逊山天文台的台长。他使用这个标尺估计宇宙距离地球约 300,000 光年，远大于之前的估计，但与今天的现代估计相比，仍然相当小。他认为夜空中所有的恒星都在银河系中，并非所有天文学家都同意他的观点，有些人认为银河系是宇宙中众多星系中的一个岛屿。不久之后，爱德华·皮克林去世后，哈罗·沙普利加入了哈佛大学的亨丽埃塔·勒维特。这使得位于加利福尼亚州的威尔逊山天文台落入了一位名叫埃德温·哈勃的英俊年轻天文学家手中。
利用光线测量宇宙膨胀
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埃德温·哈勃是高中田径运动的明星运动员，在大学里打篮球，带领芝加哥大学获得了第一个联盟冠军。大学毕业后，他获得了罗德奖学金，前往英国牛津学习法律。回到美国后，埃德温·哈勃找到了一份教高中西班牙语、物理和数学的工作，还担任高中篮球队的教练，但在他父亲去世后，埃德温·哈勃回到学校在芝加哥大学攻读天文学学位。1917 年，战争爆发，哈勃加入了军队，在第一次世界大战期间服役于欧洲。
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哈勃回到美国后，在加利福尼亚州新成立的威尔逊山天文台找到了一份工作，后来他在哈罗·沙普利离开后接手了天文台。他继续专注于造父变星，希望使用亨丽埃塔·勒维特发明的工具来更好地测量宇宙。哈勃将注意力集中在仙女座螺旋星云中的一颗恒星上，他在 1923 年将其命名为 V1。在几周的时间里，他观察了这颗恒星亮度的变化，测量了它的周期性，他确定其最大亮度之间的周期为 31.4 天。利用这个测量结果，他估计仙女座螺旋星云的距离超过 1,000,000 光年，是一个超出我们银河系的星系。他写信给沙普利，沙普利回复给一位同事说：“这是毁灭了我宇宙的那封信。”它并没有毁灭一个宇宙，而是埃德温·哈勃证明了一个比我们想象的大得多的宇宙，充满了像银河系一样的其他星系。如今，宇宙的直径估计为惊人的 93,000,000,000 光年，即 930 亿光年！
但埃德温·哈勃最大的发现不仅仅是宇宙的广阔无垠，还有它正在以惊人的速度膨胀。这个发现是通过检验来自星光的电磁辐射光谱得出的。
黑体辐射体
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在地球上的某个黑暗森林里，有一堆火在石头环的中心燃烧，一群人围着火焰。火已经成为人类的定义，它在人类历史的早期就出现了，甚至早于我们物种的起源，大约 100 万年前，当时直立人走出非洲，走向更远的地方。如果你曾经观察过火焰，你会注意到它颜色的变化，黄色、红色，以及在炽热的余烬中深邃的蓝色，甚至可能还有紫色。这些不断变化的彩色火焰代表着火焰发出的电磁辐射，这种辐射会加热周围的空气，并在黑暗的夜晚提供光线。火焰的颜色可以直接告诉我们火焰的温度，因为发射的光波波长越短，火焰的温度就越高。我们还可以通过仔细研究恒星发出的光谱的颜色来判断恒星的温度。
如果铁匠将一个黑色的铁球放入火中，他们会观察到随着铁球被加热，颜色会发生变化。颜色从黑色的铁球开始，慢慢地开始发出深红色，然后是更亮的黄色，在更高的温度下，铁会发出蓝绿色，在超高温下会变成浅紫色。检查从“黑体”辐射的铁球发出的颜色光谱，就会发现一个趋势：随着铁球在火中被加热，它发出的光的波长越来越短。黑体是一个理想化的物体，当被加热或冷却时会发射电磁辐射（它也会吸收这种光）。
加热的铁球或“黑体辐射体”发出的光谱可以用来计算它的温度。同样的方法可以用来计算恒星的温度，包括之前提到的太阳表面温度（5,778 开尔文）。我们不需要将温度计放到太阳的热表面，我们可以利用太阳自身的光来测量它的温度。我们还可以利用同样的原理来测量数百万光年外的恒星的温度。对电磁辐射光谱的研究被称为光谱学。在 19 世纪 50 年代的德国，一位名叫古斯塔夫·基尔霍夫 的科学家对加热物体发出的电磁辐射光谱着迷，并在 1862 年创造了“黑体”辐射体一词。基尔霍夫很好奇，如果他用电加热或激发气体粒子，而不是像铁球这样的固体物质，会发生什么？气体会随着加热发出与固体相同的颜色光谱吗？实验表明，气体会发出非常窄的光谱范围。例如，一个装有氖气体的密闭玻璃罐会产生明亮的红色和橙色光带，而氩气会产生蓝色以及其他颜色的光波，汞气则会发出更偏蓝色的白色光。这些充气电灯被商业化开发成霓虹灯和荧光灯，在非常离散的波长下具有各种各样的颜色光谱。
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基尔霍夫进行了一系列实验，在纯净气体的腔室中加热固体黑体，并注意到在未被气体吸收的光的光谱中，包含了气体被加热时发出的相同波长。当这些波长的光被气体吸收时，它们会在观察到的光谱中留下离散的线。根据光穿过气体粒子的类型，吸收的光波的光谱对每种气体都是独特的。天文学家，比如埃德温·哈勃在恒星的光谱中观察到类似的吸收线。
这被证明是一种确定恒星成分的方法。例如，这就是我们知道太阳主要由氢和氦组成的原因，这些气体的吸收线在太阳光的谱中都有显示。在基尔霍夫的实验室工作的年轻科学家马克斯·普朗克 很好奇，为什么在非常高的温度下加热的物体似乎没有无限地降低波长。经过多次实验，马克斯·普朗克确定了一个将电磁辐射波长转换为能量单位的数值。这个特殊的数值被称为普朗克常数 h。目前{{{1}}} 每赫兹，使得
其中 E 是电磁辐射产生的能量，h 是普朗克常数，c 是光速，λ 是波长。请注意，根据这个方程——随着波长的增加，能量减少。普朗克常数是物理学和化学中一个非常重要的数字，因为它与原子的大小和电子在原子核中轨道距离有关，因此普朗克常数 在量子物理学 中也很重要。这个方程的重要性在于它允许直接比较光的波长和能量。请注意，能量是粒子内部振动力的度量，换句话说，是热量的度量。
从根本上说，重要的是要记住，电磁辐射（可见光和不可见光）是将能量传输到太空的有效方式。当电磁辐射撞击有质量的粒子时，电磁辐射中的能量会以热的形式释放出来。当这种情况发生时，电磁辐射的波长会增加，同时将部分能量转移到粒子中。粒子会增加它们的振动运动（热量的度量）。这个基本概念解释了地球如何获得几乎所有的能量，通过来自太阳的光的轰击。地球还通过放射性原子衰变释放电磁辐射获得一些能量，这些原子最初是在超新星爆发事件中形成的，但此后一直在衰变。因此电磁辐射是由核裂变和核聚变产生的，但这并不是产生电磁辐射的唯一方法。
发光的岩石或荧光
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在大多数自然历史博物馆中，有一个隐藏的黑暗房间，里面陈列着各种看起来普通的岩石。然而，这些收集的岩石每天都经历着房间灯光打开和关闭的循环，但是吸引公众注意这些岩石的是，当房间陷入黑暗时 - 这些岩石发光。这种发光被称为荧光，它是由于自发产生电磁辐射，以光子 的形式产生的。当光波或任何类型的电磁辐射撞击原子时，特别是被固体物质中的键合固定在位的原子，来自入射光的能量转移不会导致振动能量（热量）增加，而是转换为电子场，导致电子能态 增加。随着时间的推移，有时会经过很长的时间，电子会自发地降落到较低的能态，当它这样做时会释放一个光子。如果足够多的原子受到入射辐射的影响，下降的电子能态会释放足够的光子在视觉光谱中被看到，岩石看起来会发光。请注意，入射光的波长必须携带高于视觉光谱的能级，通常使用的是紫外线，但也可以是更短波长的电磁辐射。
当您看到岩石的荧光时，这是这些光子在电子在受到短波长电磁辐射（如紫外线、X 射线甚至伽马射线）的影响后跃迁到更高的能态，然后跌落到更低的能态后释放出来的。事实上，放射性物质发光的原因是，周围物质的电子能态在受到这些放射性物质产生的高能和短波长电磁辐射的影响后释放出来。
还有许多其他方法可以将电子激发到更高的能态，这会导致光子的自发释放。当物体受到电磁辐射的影响时，科学家将光子的自发释放称为磷光。当物体受到热量或温度升高的影响时，这被称为热释光，例如“黑体”辐射体或铁球的发光就是热释光的例子，是由电子下降能态并释放光子造成的，这是因为它们受到温度升高的影响。最后一种荧光类型是摩擦发光，它是由运动或动能引起的。当两个岩石（例如含有石英的岩石）撞击在一起时，就会发现摩擦发光，由此产生的闪光是由电子能态快速跳跃和下降，释放光子造成的。当电子不再受到原子中质子的极性吸引时，这些自由电子被称为电，它们的运动会产生光子，在电线之间跳跃时产生的电火花中可以看到。
什么是电？
[edit | edit source]电 是与电子运动相关的物理现象。通常，电子 通过它们对原子核或原子中心的质子 的吸引力被锁定在原子中。电子表现出负电荷（−）并且被吸引到带正电荷（+）的物质，例如质子。由金属键 组成的特殊材料对电子运动具有导电性，因为电子可以很容易地在通过金属键连接的原子之间移动。铜、铁、镍和金都是良好的导体，可以使电子移动。电子也可以通过极性分子（具有正负极或侧面的分子）移动。这就是为什么电子可以穿过含有溶解盐的水、活组织和各种含有溶解的极性分子的液体的原因，也是为什么触碰带电的电流很危险以及为什么在触碰时会感到电击的原因。
电子的自由流动被称为等离子体，它发生在电子从原子中剥离时。雷雨中的闪电就是一个很好的等离子体例子，它是负电荷云与带正电荷的地面之间电子的自由流动。电子沿着电线的电流从电线的负极端移动到正极端。当电子沿着电线移动时，它们会产生电磁场，使得放在这个不可见场中的指南针会重新定向到这个磁场中。这个电磁场最初由迈克尔·法拉第 研究，并导致了我们日常生活中使用的各种惊人的发明，例如电动汽车中使用的电动机。当电子运动时，它们可以跌落到较低的能态并释放电磁辐射或光。这就是为灯泡、电脑和我们日常生活中使用的许多电器供电的方式。
电子如何流动产生电流？如何发电？实际上，有四种基本的电力产生方法。
1. 电磁辐射或光，如阳光。 当光子撞击电子时，它们会提高电子的能级。这最早是由海因里希·赫兹首次证明的。当电火花暴露在紫外光束中时，火花中光的波长从长波长转变为短波长。这种电磁辐射与电子之间的相互作用被称为光电效应。这就是太阳能发电的方式，例如发电的太阳能电池板，也是植物通过光合作用产生能量的方式。
2. 动能。 物质的运动可以从物质中剥离电子，产生电荷。这种现象可以在材料中积累静电时看到，由于两种材料相互接触，一种材料作为绝缘体（意味着它阻止电子在原子之间流动），另一种材料作为导体（意味着它允许电子在原子之间自由流动），材料会积累过量的电子。电子会在导电材料的表面积聚，并以电火花或静电放电的形式释放。工业发电厂最常利用这种类型的发电方式，利用运动。大型磁铁在导电材料（如铜线）的闭合回路中旋转，将电子吸引到铜线中，电子沿着电线流向家庭和企业。大型旋转涡轮通常由热蒸汽（煤炭、天然气、核能或地热发电厂）、水流（水力发电大坝）或风（风力涡轮机）驱动，使导电材料持续旋转并产生电子。
3. 热能。 电流可以通过热梯度产生，将一个加热的表面与一个冷的表面紧密结合，并在热梯度之间放置两种具有不同导电性能的材料，使电子在一侧积累，从而在另一侧产生电流。热电发电的电力被用于可穿戴设备的发电中，利用人体热量的热梯度。它也被用来从“废热”中发电，即由燃料燃烧产生的热量，例如内燃机或发电厂，作为提高发电量的辅助方法。这种热能到电能的转换可以让你只需使用一杯咖啡或茶的热量就能给手机充电，正如安·马科辛斯基最近在深夜秀上展示的那样。
4. 化学能。 电荷可以积聚并储存在电池中。电池这个词最早是由本杰明·富兰克林创造的，他将一系列莱顿瓶排成一排，用金属线连接起来，增加了他在接触莱顿瓶顶端时受到的电击。由于这些瓶子排成一排，它们看起来像一排大炮，这指的是“电池”这个军事术语，指的是一排大炮。莱顿瓶本身不会产生电流，但它提供了一种简单的存储电子和电荷的方法。
作为最简单的电池类型，莱顿瓶是一个用导电金属包裹的瓶子，里面装满导电液体（通常是溶解了盐的水），瓶盖上放一个钉子或金属线，确保外侧金属不接触瓶盖上的金属线或钉子。使用一根棒子和一块布，可以将电子添加到瓶盖上，方法是通过一根带电的棒子（在用布摩擦后积累静电），电子会流入钉子（称为阳极，或 − 端）并流入水中（称为电解质）。由于这些电子无法通过玻璃瓶流到外表面金属（称为阴极，或 + 端），它们会积聚在瓶子内部，直到瓶盖（阳极或 − 端）和瓶子外部（阴极或 + 端）之间形成回路。如果一个人形成了这个回路，他们会感到电击。如果连接一根带有灯泡的电线，灯泡就会亮起来。
现代电池可以通过两种不同的液体电解质产生电流，它们由一层膜隔开，该膜允许电子通过，但不允许液体中的分子通过。因此，随着时间的推移，电子会积聚在一侧（变为负电荷），而在另一侧（变为正电荷）的两个电解质室中耗尽。一些电池一旦电子返回到另一侧，就会耗尽，而另一些电池则允许将反向电流施加到电池（电子反方向流动），这将重置两个电解质室之间电子数量的差异，从而重新为电池充电。然而，随着时间的推移，分子会失去其提供和接受电子的化学能力，即使是可充电电池也会有有限的使用寿命。然而，新的技术正在延长电池寿命，特别是那些含有高反应性元素锂的分子。
化学能通常通过放热化学反应产生热量（例如汽油的燃烧），然后利用热量以前面提到的方式之一发电。
当电子沿着导电材料沿单一方向流动时，这被称为直流电或（DC），这是电池中常见的电流类型。然而，电子通常会通过交流发电机，交流发电机产生电子沿电线以波浪形式来回交替流动的电流，这被称为交流电（AC）。通常情况下，你家中的大多数电器都使用交流电，因为它在通过金属线长距离传输连续能量流方面更有效。然而，大多数电池通过直流电提供电子。
阳光是地球上大多数电力产生的最终原始来源。电能可以作为化学能长时间储存，例如在电池中，也可以储存古代的化石生命形式中，这些生命形式以前使用光合作用来生产碳氢化合物，这些碳氢化合物经过漫长的地质时期分解成天然气、汽油或煤炭。这些“化石燃料”可以燃烧并在放热反应中产生热量，通过热量和运动发电。
科学家们一直在讨论宇宙的理论本质，尤其是关于宇宙中可获得能量的长期趋势。开尔文勋爵和经典的热力学定律认为，由于熵，宇宙中的能量会慢慢耗尽，最终宇宙将面临“热寂”，届时所有的能量都将耗尽。其他科学家发现了物质与能量之间的联系，例如阿尔伯特·爱因斯坦，他提出了物质与能量之间能量流的平衡，延长了宇宙的寿命。而最近，科学家们假设未来很长一段时间内能量会不断增加，最终导致“大坍缩”或“大反弹”，届时宇宙中所有物质可能会重新聚合在一起，并可能循环回到另一个大爆炸。这些宇宙学假设虽然令人感兴趣，但目前所收集的科学证据并未提供太多支持。然而，有证据表明宇宙正在持续快速膨胀，这表明正在膨胀的宇宙正在随着时间的推移慢慢失去能量，就好像宇宙是一个持续的巨大爆炸，由大爆炸引发的。
当埃德温·哈勃在加州威尔逊山天文台研究恒星光的可见光谱时，他可以计算出这些遥远恒星的温度和成分。现在，通过比较亮度和周期性来确定这些恒星的距离，他注意到了一种奇怪的关系。一颗恒星或星系离地球越远，其可见光谱就越向红色方向移动，以至于吸收线略微向更长的波长光移动。通过测量恒星光谱的这种移动，哈勃将这种移动的长度与观测到的恒星或星系的距离作图，发现距离恒星或星系越远，观测到的移动就越大。
这种现象被称为红移。哈勃利用这张图计算出了后来被称为哈勃常数的值，它是宇宙膨胀的度量。哈勃第一次发表了对这种膨胀的估计，使用的是公里每秒每百万秒差距（百万秒差距）的符号。百万秒差距是一百万秒差距，相当于 326 万光年，或 31×1018 公里。这是一个极其遥远的距离。天文学家们对他最初的估计进行了争论，在接下来的 100 年中，关于哈勃常数的精确值一直在持续争论。
1990 年发射了一颗以埃德温·哈勃命名的地球轨道卫星，即 哈勃太空望远镜 试图解决这个问题。在 地球大气层之上，哈勃望远镜能够测量遥远恒星的红移以及它们的亮度周期性，从而可以对该常数进行更精确的测量，结果为 73.8 ± 2.4 km/s/Mpc。每百万秒差距（约 326 万光年）的距离，宇宙膨胀速度快 73.8 公里/秒。一颗距离地球 100 Mpc 的恒星，其膨胀速度将是地球的 7380 公里/秒。
而另一台以马克斯·普朗克命名的望远镜，即 普朗克宇宙飞船，由欧洲航天局于 2009 年发射，观察了来自宇宙的不可见微波电磁辐射，该辐射也表现出红移，发现宇宙膨胀速度略慢，为 67.8 ± 0.77 km/s/Mpc。此测量值是恒星之间距离的不断增大。
想象宇宙的一种方式，就像上升的面包面团一样，恒星就像散布在面团中的巧克力片一样。随着面团上升或膨胀，面团中每个巧克力片之间的距离会增加。这种膨胀的速度可能比光速快，因为没有任何东西在该距离内传播，而是距离本身在点之间扩展。
使用哈勃望远镜发现的 73.8 km/s/Mpc，以及从地球观察到的最远天体（大熊座星系 GN-z11）的发现，测量结果为距离地球 112,738 Mpc（红移为 11.1）。地球和这个遥远的星系 GN-z11 之间的距离膨胀速度大约是光速的 28 倍！换句话说，地球和 GN-z11 上一次共享同一个空间是在 129.40 亿年前，它们之间的距离正在不断地加速远离彼此。如果我们将这个宇宙膨胀倒退，我们发现宇宙估计有 135 亿年的历史，并且一直在以比光速更快的速度从地球向各个方向膨胀。请注意，在 1 米的距离内表示的这种宇宙膨胀速率，每 31.7 年只会膨胀一个原子的宽度。自从 45 亿年前地球形成以来，宇宙的膨胀只增加了每米 1 厘米。然而，在广阔的太空距离内，这种宇宙膨胀是相当大的。
史蒂芬·霍金 在 2018 年去世前的一次演讲中写道：“宇宙的膨胀是 20 世纪乃至任何世纪最重要的智力发现之一。” 事实上，从地球上某个人的角度来看，就好像夜空中所有的恒星都从你身边飞驰而去，就像一场宇宙儿童的捉迷藏游戏，而你是它。这个不断膨胀的宇宙是太阳系在宇宙中完全孤立以及地球的极度珍贵和脆弱本质的决定性证据。
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