地球/2c. 电磁辐射和黑体辐射器
在 1891-92 学年，一位名叫 亨丽埃塔·勒维特 的年轻女子参加了天文学课程，这改变了她的生活。她在课堂上对恒星的迷恋被点燃了。由于 哈佛女性大学教育协会 在哈佛大学附属机构，以及在女性不被允许进入哈佛大学主校区的时代，这门课只向她开放。勒维特在最后一年获得了 A−，她带着一种雄心勃勃的渴望，渴望将恒星研究作为一项全职职业。在课程结束后，甚至在她大学毕业后，她开始在 哈佛大学天文台 自愿做一些工作，整理夜间用大学新式高倍望远镜观测到的恒星照片。研究人员正在使用这些照片来编目恒星，记录它们的顏色和亮度。
天文学家非常有兴趣测量从地球到这些在夜空中观测到的恒星的距离。科学家们已经知道月球和太阳的距离很多年了，他们通过测量一种叫做视差的东西来进行测量。视差 是指从不同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，举起你的拇指并用你的拇指瞄准一个远处的物体，这样你的拇指就会与远处的物体对齐。如果你换眼，你会注意到远处物体相对于你的拇指跳到了不同的位置。利用一些基本的数学方法，你可以计算出物体离你有多远，因为物体越近，它基于你的观察点的位置变化就越大。然而，当距离非常远时，在地球上不同观察点的位置差异相对于物体距离而言太小，无法测量。恒星离地球太远了，无法测量出地球的实际距离，而科学家们渴望了解宇宙的大小和尺度。
亨丽埃塔·勒维特 探索测量这些恒星距离的工具的旅程是一个漫长的过程。虽然她开始着手撰写一份报告来描述她的观察结果，但她被前往欧洲的旅行以及搬到威斯康星州打断了，在那里，她没有教科学，而是获得了一份在 贝洛伊特学院 教艺术的工作。她在威斯康星州的经历以及寒冷的气候导致她病得很重，失去了听力。在她生命余下的时间里，她因为病痛而失聪，她写信回哈佛，希望能得到在那里工作的机会，帮助整理和研究恒星的照片，这是她仍然感兴趣的事情。她回到了自己的工作岗位，这导致了一个非凡的发现。
天文学家通过测量恒星的亮度来测量所谓的视星等。遥远的巨大恒星与靠近地球的较小的恒星具有相同的亮度，因为无法判断恒星的距离并确定恒星的绝对星等。恒星的视星等是在天文台望远镜拍摄的照片上测量的，但亨丽埃塔·勒维特在查看她目录中 1,777 颗恒星的一个子集时，观察到了一种奇怪的关系。她查看了位于小 麦哲伦星云 中的 25 颗恒星，这些恒星被认为距离地球大致相同。这些恒星位于一个星团中，彼此靠近。此外，这 25 颗恒星被认为是 造父变星，它们是亮度在几天到几周内脉动的恒星。
亨丽埃塔·勒维特仔细测量了这些恒星的亮度，持续了几天到几周的时间，并确定了亮度脉动的周期性，发现恒星越亮，亮度脉动的周期就越长。由于这些恒星距离地球大致相同，因此这种关系表明了一种方法，可以通过观察亮度脉动的周期性来判断一颗恒星离地球有多远。如果两颗恒星具有相同的亮度，但一颗恒星的亮度脉动周期更长，那么亮度脉动周期较短的恒星离得更近。因此，亨丽埃塔·勒维特发现了一个衡量宇宙的标尺。她于 1912 年发表了自己的发现，发表了一篇简短的 3 页论文，她向她的主管 爱德华·皮克林 口述了这篇论文。她的发现后来变得很重要，但首先，你应该了解光究竟是什么。
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，光被认为是心灵的产物，是你的眼睛如何接收周围环境的，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引起的。一个非常好的比喻是想象一个球在山上上下滚动，因为它在移动。利用诺特定理，我们可以推测这个球在山顶的位置之间振荡，在那里能量被存储为势能，以及在山脚的位置，在那里能量被释放为动能，导致球在下一个山坡上上升。由于它以光速传播，因此球在上升下一个山坡时不会因熵而损失能量。
这个移动的无质量球被称为光子，山之间的距离被称为波长。因此，光可以被看作是粒子也是波。山峰或波长可以垂直、水平或对角地定向到光子传播路径的任何方向。偏振光是其中方向被限制为一个方向的光。
如果您曾在影院看过现代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，右眼的光线在一个方向上，而左眼的光线在另一个方向上（通常是垂直的）。这样，模糊的电影图像就可以在同一时间被分解成两张独立的图像，分别对应于两只眼睛，从而产生立体感。如果您剪下3D眼镜中的两个镜片，可以将它们互相垂直放置，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，最终导致黑暗。
这被称为交叉偏振，因为没有光线可以通过。但是，您可以在两个偏振镜片之间放置一个晶体或透镜，它可以将光线弯曲或反射到不同的方向，这样可以让一些光波在两个镜片之间弯曲或改变方向，从而使光线能够穿过之前黑色的镜片，这被称为双折射。双折射是指材料的一种光学性质，即其折射率取决于光的偏振和传播方向。这是晶体学中的一个重要原理，并导致了液晶显示器 (LCD)平板电视显示器的突破性进展，这些显示器广泛应用于体育酒吧、机场和世界各地的客厅墙壁上。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。该电压会改变晶体的双折射，使光线能够穿过之前阻挡光线的顶部偏振镜片。可以使用彩色滤光片添加颜色。因此，如果您正在电子设备上阅读这些文字LCD，那么很可能就是由于这种弯曲偏振光的方向才让您能够做到这一点。
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，具体取决于波长的距离。一个光子在间隔很短的陡峭山丘上弹跳具有更高的能量，而一个光子在间隔很远的缓坡上弹跳具有较低的能量。使用这个比喻，光既表现为粒子，又表现为波。这首先由托马斯·杨（这位博学多才的学者翻译了埃及象形文字，并创造了“能量”一词）于1801年证明，他在一张纸上开两个缝，并通过它们照射光，证明了光波相互作用时在屏幕上出现奇怪的图案，导致投射到屏幕上的光出现干涉图案。类似于在池塘中投入两块石头时出现的涟漪。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，但实际上是不同波长光线的混合体，紫色的光以最短的波长传播，平均波长为 400 纳米（1 纳米 = 0.000000001 米或 1 x 10-9 米），而深红色的光以最长的波长传播，平均波长为 700 纳米。可见光谱中颜色的助记符 ROY G. BIV 有助于记住从最长到最短波长的颜色顺序。红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，红色波长最长，因此能量最小，而紫色（或紫罗兰色）波长最短，因此能量最大。光可以沿着高于和低于这些值的波长传播，这种特殊的“不可见”光统称为电磁辐射，它指的是光谱中可见光和不可见光。
正常的阳光看起来是白色的，但实际上是不同波长光线的混合体，淡紫色的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），而深红色的光以最长的波长传播，平均波长为 700 纳米。可见光谱中颜色的助记符 ROY G. BIV 有助于记住从最长到最短波长的颜色顺序。红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，红色波长最长，因此能量最小，而紫色（或紫罗兰色）波长最短，因此能量最大。光可以沿着高于和低于这些值的波长传播，这种特殊的“不可见”光统称为电磁辐射，它指的是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，因此科学家称这种能量为太阳的电磁辐射。红外线光是指波长比可见光长的光，而紫外线光是指波长比可见光短的光。紫外线或 (UV) 光包含更多的能量，长时间照射会造成晒伤，最终导致皮肤癌。防晒霜可以阻止这种高能量的光线照射皮肤，而 UV 防护眼镜可以阻止这种有害的光线照射眼睛，导致白内障。能量较低的红外线光在“夜视”眼镜的开发中起着重要作用，因为这些眼镜可以将低能量的红外线光转换为可见光谱。这对热成像很有用，因为较热物体发出的红外线光波长比较冷物体短。电磁辐射光谱中能量最高的的光线是伽马射线。这种波长极短的电磁辐射是太阳核心核裂变产生的第一种光线。伽马射线具有如此高的能量，可以穿透固体物质。虽然经常在漫画书中被当作超能力的来源，但伽马射线是最危险的电磁辐射形式，实际上，这种来自核聚变和核裂变的“辐射”会产生一种可以穿透材料的光线，例如动物和植物的组织，并在穿过时严重破坏这些生命形式中的分子，导致疾病和死亡。稍低但仍然具有高能量的电磁辐射是短波长X 射线，它们也因其穿透材料的能力而闻名，并被医生用来观察您的骨骼。X 射线也会损害活组织，长时间照射会导致癌症和活细胞受损。核辐射是伽马射线和 X 射线共同组成的短波电磁辐射，可以穿透材料，只有由质量最大的原子组成的材料才能阻止它们，例如铅。下一种电磁辐射是波长稍长的紫外线，然后是我们可以看到的可见光，它只是电磁辐射光谱中非常窄的一段。可见光下方是红外线，它比可见光能量更低，并且由温暖的物体发出。令人惊讶的是，一些波长最长的电磁辐射是微波，它们位于红外线下方，波长在 1 到 10 厘米之间。微波是在雷达通信中开发出来的，但人们发现它们是加热被这种波长的大振幅电磁辐射轰击的水分子的有效方法。如果您正在使用无线互联网连接 WiFi，您的数据就是通过大约 12.5 厘米的波长发送到您的计算机或平板电脑的，这略低于微波频率，并且位于电磁辐射中最长波长范围内——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、能量和您如何感知世界
[edit | edit source]关于波长和光子携带能量之间的关系，有一个重要的考虑因素。如果波长较短，光子必须比波长较长、路径更直的光子走更长的绝对距离。光波就像观察两辆在完全相同的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。光只有在与质量相互作用时才会向更长的波长移动并降低能量，光波撞击的质量越大，它的能量降低就越多，产生的波长就越长。这就是你观察宇宙、这就是你看到的方式！光子与质量碰撞时，会向更长的波长移动并表现出更少的能量，这些能量中的一部分会转移到原子中，导致热量产生。这种波长变化会导致任何具有足够质量的物体通过改变波长来反射不同颜色和阴影的光。
颜色是每个艺术家都理解的东西，但现代颜色科学的出现是与一位美国历史上最著名的盲人之一的肖像画有关的，即海伦·凯勒。海伦·凯勒出生时有视力和听力，但婴儿时期患病后很快都失去了。她一生都被困在黑暗和沉默中，学会了通过用手触碰来交流。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·芒塞尔的艺术家受委托为她画了一幅肖像。芒塞尔为海伦·凯勒画了一幅油画，这幅画现在挂在美国盲人基金会，他们两人成了好朋友。这段经历可能对阿尔伯特·芒塞尔产生了持久的影响，因为他此后不久就开始研究颜色，试图更多地从科学家的角度而不是艺术家的角度来理解颜色。芒塞尔专注于风景艺术，他可能理解了艺术家在试图捕捉明亮的陆地或海景时所采用的独特方法。这是通过在要绘制的景观前放一块红色玻璃板来实现的。因为红色在可见光谱中波长最长，所以波长会移动到我们无法看到的更长波长，更短的波长会变得非常低，从而变暗或消失（如红外线），而更亮的光只产生可见的红色光。因此，光的明暗度可以在绘画或素描中更容易地表现出来。
芒塞尔开始根据灰度对颜色进行分类，从 0 表示纯黑色到 10 表示纯白色，在这两个值之间有各种灰度。这种颜色度量被称为明度，如果在所有颜色上放置一个红色滤镜，或者用现代的方式，拍摄颜色的黑白照片，就可以观察到这种颜色度量。颜色的可观察差异消失了，但颜色的明度保留了下来。例如，如果一种深红色的油漆与一种鲜红色的油漆具有相同的明度，那么在黑白照片下，两种颜色看起来就会一样。色相是命名的颜色，红色、黄色、绿色、蓝色、紫色和紫罗兰色，表示可见光谱的波长。颜色的最后一个分类是芒塞尔称为彩度的东西。彩度是指颜色的浓度，例如，具有高彩度的颜色就像霓虹灯一样，非常亮而且很刺眼。这些高彩度颜色是由波长具有较高振幅的光波引起的。振幅是衡量光波高度或波峰高度的量，它是光除了波长、能量和方向之外的另一个参数。
阿尔伯特·芒塞尔对他的新颜色分类印象深刻，并开始在波士顿教授四到九年级的学生他的新颜色理论，作为一种新的小学艺术课程。芒塞尔的颜色分类对社会和工业产生了深远的影响，因为新一代的学生从小就学习了关于颜色的知识。他的颜色分类对时尚、设计、艺术、食物、烹饪和广告产生了深刻的改变。但他的颜色科学对哈佛大学的亨丽埃塔·勒维特也产生了深远的影响。阿尔伯特·芒塞尔应爱德华·皮克林的邀请，为在他的监督下工作的女性天文学家做了一次演讲。
虽然勒维特没有听到阿尔伯特·芒塞尔的演讲，因为她那时已经失去了听力，但她无疑看到了他的颜色分类，并且可能意识到色相（光的波长）和彩度（光的振幅或亮度）之间的差异的重要性。此后不久，她就发表了她著名的 1912 年论文，这篇论文发现了恒星的亮度（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轰动，因为它提供了一把尺子来测量宇宙。
天文学家渴望尝试使用这种新工具来测量恒星的距离。然而，早期的尝试产生了不同的距离。其中一项最早的系统性尝试是由哈洛·沙普利提供的，他是南加州威尔逊山天文台的台长。他使用这种尺子估计宇宙距离地球约 300,000 光年，比之前的估计要大得多，但与今天的现代估计相比，仍然很小。他认为夜空中所有的星星都在银河系内，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。此后不久，爱德华·皮克林去世后，哈洛·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。
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埃德温·哈勃是高中田径队的明星运动员，在大学里打篮球，带领芝加哥大学获得了其第一个联盟冠军。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·哈勃找到了一份在高中教西班牙语、物理和数学以及执教高中篮球队的工作，但在他父亲去世后，埃德温·哈勃回到学校在芝加哥大学学习天文学学位。1917 年，战争爆发，哈勃加入了军队，在第一次世界大战期间在欧洲服役。
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回到美国后，哈勃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，后来他在哈洛·沙普利离开后接管了天文台。他继续专注于造父变星，希望使用亨丽埃塔·勒维特发明的工具更好地测量宇宙。哈勃将注意力集中在仙女座旋涡星云中的一颗恒星上，他在 1923 年将其命名为 V1。在几周内，他观察到这颗恒星亮度的变化，并测量了周期性，他确定它在最大亮度之间的周期是 31.4 天。利用这一测量结果，他估计仙女座旋涡星云的距离超过 1,000,000 光年，这是一个位于我们星系之外的星系。他写信给沙普利，沙普利回复了一位同事，“这是一封摧毁了我的宇宙的信。”它并没有摧毁一个宇宙，而是埃德温·哈勃证明了一个比人们想象的要大得多的宇宙，其中充满了像银河系一样的其他星系。今天，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·哈勃最伟大的发现不仅仅是宇宙的广阔无垠，而是它正在以惊人的速度膨胀。这一发现是通过检查来自星光的光波谱来实现的。
在地球上的某个黑暗森林里，一团火在石头圈的中央燃烧，一群人类围着火焰。火已经成为人类身份的定义，它在人类历史中出现得如此之早，甚至早于我们物种的起源，大约 100 万年前，当时Homo erectus从非洲出发，走向更远的地方。如果你曾经观察过火焰，你就会注意到它不断变化的颜色，黄色、红色，以及在炽热的余烬中深蓝色的甚至紫色的颜色。这些不断变化的彩色火焰代表着火释放的电磁辐射级联，它加热周围的空气，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，因为光波长越短，火焰温度就越高。我们还可以通过仔细研究恒星发出的光谱颜色来判断恒星的温度。
如果铁匠将一个黑色的铁球放进火里，他们会观察到铁球加热时颜色的变化。颜色从黑色的铁球开始，慢慢开始发出深红色，然后是更亮的黄色，在更高的温度下，铁球会发出绿蓝色，而在超高温下，铁球会呈现出淡紫色。检查从“黑体”辐射的铁球发出的颜色光谱，将证明随着铁球在火中加热，球体发出的光的波长越短的趋势。黑体是一个理想化的物体，当它被加热或冷却时会发射电磁辐射（它也吸收这种光）。
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炽热的太阳表面，我们可以利用太阳自身的光线来测量它的温度。我们还可以使用相同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很着迷，并在 1862 年创造了“黑体”辐射体的术语。基尔霍夫好奇的是，如果他用电加热或激发气体粒子，而不是像铁球一样的固体物质，会发生什么？气体在加热时会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波长。例如，一个装有氖气体的密封玻璃罐会产生红色和橙色的亮带，而氩气会产生蓝色，以及其他波长的彩色光，汞气会产生更蓝白色的光。这些充气电灯被商业化发展成霓虹灯和荧光灯，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，在一个纯化气体的腔室中加热一个固体的黑体，并注意到，在不允许通过气体的光谱中，与加热气体时发射的波长相同。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条。根据光线穿过气体粒子的不同，吸收的光波谱对于每种气体都是独一无二的。天文学家，例如埃德温·哈勃在恒星光谱中观察到了类似的吸收线。
事实证明，这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方式，这些气体的吸收线在太阳光的频谱中都有显示。在基尔霍夫的实验室工作的一位名叫马克斯·普朗克的年轻科学家想知道，为什么物体在非常高的温度下加热似乎没有无限地减小波长。经过一次又一次的实验，马克斯·普朗克确定了一个值，将电磁辐射波长转换为能量的度量。这个特殊的值被称为普朗克常数 h。目前{{{1}}} 每赫兹，因此
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，作为该方程的函数，随着波长的增加，能量会减小。普朗克常数是物理学和化学中非常重要的数字，因为它与原子的尺寸以及电子在原子核中轨道距离相关，因此普朗克常数在量子物理学中也很重要。该方程的重要性在于它允许直接比较光的波长和能量。请意识到，能量是粒子内部振动力的测量，换句话说，是热量的测量。
从根本上说，重要的是要记住，电磁辐射（包括可见光和不可见光）是一种将能量传输到太空中的有效方式。当电磁辐射撞击具有质量的粒子时，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，电磁辐射会增加其波长，同时将部分能量传递到粒子中。粒子会增加其振动运动（热量的度量）。这个基本概念解释了地球如何通过太阳光的轰击获得几乎所有的能量。地球也通过放射性原子的衰变释放电磁辐射来获得一些能量，这些放射性原子是在超新星爆炸事件中形成的，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里，都隐藏着一个黑暗的房间，里面展示着各种看起来很普通的岩石。然而，这些岩石每天都会经历房间的灯光开关循环，但吸引公众注意的是，当房间陷入黑暗时，岩石会发光。这种发光被称为荧光，它是由电磁辐射以光子形式的自发产生引起的。当光波或任何类型的电磁辐射撞击原子，尤其是被固体物质中的键固定在原位的原子时，来自入射光的能量传递不会导致振动能量（热量）的增加，而是转换为电子场，导致电子能级的增加。随着时间的推移，有时甚至在非常长的时间段内，电子会自发地下降到较低的能级，当它这样做时，它会释放一个光子。如果足够多的原子受到入射辐射的影响，下降的电子态会释放足够多的光子，可以在可见光谱中看到，岩石看起来就会发光。请注意，入射光的波长必须携带高于可见光谱的能级，通常使用紫外线，但可能是更短波长的电磁辐射。
当你看到岩石的荧光时，这是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，从较高的能级跃迁到较低的能级，并释放这些光子。事实上，放射性物质发光的原因是，周围物质的电子能级释放，这些物质受到这些放射性物质产生的高能量和短波长电磁辐射的影响。
还有许多其他方法可以激发电子到更高的能级，从而导致光子的自发释放。当物体受到电磁辐射的影响时，科学家称光子的自发释放为磷光。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，它是由电子下降能级并释放光子引起的，这是由于受到热量的增加。最后一种荧光类型是摩擦发光，它是由运动或动能引起的。摩擦发光是在两块岩石（例如含有石英的岩石）互相撞击时产生的，由此产生的闪光是由电子能级快速跃迁和下降，并释放光子造成的。当电子脱离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 被原子核或原子中心中的质子吸引而束缚在原子中。电子表现出负电荷 (−)，并被带正电荷 (+) 的物质吸引，例如 质子。由 金属键 组成的特殊材料能导电，因为电子可以轻松地在由金属键连接的原子之间移动。铜、铁、镍和金都是良好的 导体，可以使电子运动。电子也可以通过极性分子（具有正负电荷极或侧面的分子）移动。这就是为什么电子可以通过溶解有盐的水、活组织和各种溶解有极性分子的液体，以及为什么触碰带电电流很危险，以及为什么当你触碰时会触电的原因。
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。一个很好的例子是雷雨中的闪电，它是在带负电荷的云层和带正电荷的地面之间电子的自由流动。电子沿着电线以电流的形式从负端流向正端。当电子沿着电线移动时，它们会产生一个电磁场，因此在这个无形场中放置的指南针会将它的针重新定向到这个磁场。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奇妙的发明，例如电动汽车中使用的电动机。当电子运动时，它们可以降到较低的能级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原理。
电子流是如何产生的？你如何发电？其实有四种基本的电力产生方法。
1. 电磁辐射或光，例如阳光。当光子撞击电子时，它们会增加电子的能级。海因里希·赫兹是最早证明这一点的人。当电火花暴露在紫外线束中时，火花中光的波长会从长波长变为短波长。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原理，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。材料的运动可以从材料中剥离电子，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，一种材料是绝缘体（这意味着它阻止电子在原子之间流动），而另一种材料是导体（这意味着它允许电子在原子之间自由流动）。电子会在导体材料的表面积聚，并作为电火花或静电放电释放。工业发电厂最常利用这种类型的电力生产，使用运动。大型磁铁在导电材料（如铜线）的闭合回路中旋转，将电子吸入铜线，然后流出电线进入家庭和企业。大型旋转涡轮机通常由热蒸汽（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，这些动力使导电材料旋转并产生电子。
3. 热能。电力可以通过热梯度产生，将一个加热的表面放置在靠近一个冷表面的地方，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，在另一侧产生电流。热电发电的电力用于可穿戴设备的电力生产，它利用人体的热量梯度。它也用于从“废热”中发电，即由燃料燃烧（如内燃机或发电厂）产生的热量，作为提高发电效率的辅助方法。这种热能到电能的转换可以让你仅仅利用一杯咖啡或茶的热量来给手机充电，正如安妮·马科辛斯基最近展示的那样，她在深夜脱口秀节目中展示了这项技术。
4. 化学能。电荷可以被积累并储存在电池中。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，增加他触碰莱顿瓶顶部时所受的电击。由于这些瓶子排成一排，就像一排大炮，参考了军事术语“炮兵”。莱顿瓶本身不会发电，但它提供了一种简单的方法来存储电子和电荷。
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，里面装满了导电液体（通常是溶解了盐的水），瓶盖上放了一根钉子或金属丝，确保外侧的金属不接触瓶盖上的金属丝或钉子。使用一根杆和一块布，可以通过传递一根带电杆（在用布擦拭后积聚静电荷）来向瓶盖添加电子，电子会流入钉子（称为 阳极，或 − 端）和水（称为 电解质）。由于这些电子不能穿过玻璃瓶到达外表面金属（称为阴极，或 + 端），因此它们会积聚在瓶子中，直到瓶盖（阳极或 − 端）和瓶子外部（阴极 或 + 端）之间形成回路。如果这个回路是由人构成的，他们会感到触电。如果连接一根带灯泡的电线，灯泡就会亮起来。
现代电池可以通过用一层允许电子通过但不能通过液体中分子的膜隔开两种不同类型的液体电解质来发电。因此，随着时间的推移，电子会在其中一侧积累（变得带负电荷），而在另一侧（变得带正电荷）的两个电解质室中被消耗。有些电池，一旦电子返回另一侧，就会耗尽，而另一些电池则允许对电池施加反向充电（电子以相反的方向流动），这会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，分子会失去它们捐赠和接收电子的化学能力，即使是可充电电池也会有一定的使用寿命。然而，新技术正在延长电池寿命，特别是对于包含高活性元素锂的分子。
化学能最常通过放热化学反应（例如汽油燃烧）产生热量，然后利用热量通过之前提到的方法之一发电。
当电子沿着导电材料以单一方向流动时，这被称为直流电或 (DC)，这在电池中很常见。然而，电子经常通过交流发电机，它产生一种沿着电线以波浪形式来回交替流动的电子流，这被称为交流电 (AC)。通常，你家中的大多数电器使用交流电运行，因为它在通过金属线长距离传输持续能量流方面更有效率。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生产的最终原始来源。电能可以以化学能的形式长时间存储，例如在电池中，也可以存储在以前使用光合作用产生碳氢化合物的古老化石生命形式中，这些碳氢化合物在漫长的地质时期内分解成天然气、汽油或煤炭。这些“化石燃料”可以燃烧，在放热反应中产生热量，从而通过热量和运动发电。
科学家们一直在争论宇宙的理论本质，特别是关于可用能量的长期趋势。开尔文勋爵和经典的热力学定律认为，由于熵，宇宙中的能量正在缓慢耗尽，最终宇宙将面临“热寂”，届时所有能量都将耗尽。其他科学家，如爱因斯坦，发现了物质和能量之间的联系，他认为物质和能量之间存在能量流的平衡，从而延长了宇宙的生命。而最近，科学家们推测，未来能量将不断增加，最终导致“大挤压”或“大反弹”，所有物质都可能重新回到宇宙中，并可能循环回到另一次大爆炸。这些宇宙学假设虽然很有趣，但迄今为止从科学证据中并没有得到太多支持。然而，有证据表明宇宙正在不断快速膨胀，这表明正在膨胀的宇宙正在随着时间的推移而缓慢损失能量，就好像宇宙是一个从大爆炸引发的长时间的大规模爆炸。
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，他能够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。一颗恒星或星系距离地球越远，它的可见光谱就越向红色偏移，以至于吸收线略微向更长的波长光偏移。在测量恒星光谱的这种偏移时，哈勃绘制了这种偏移的长度与观测到的恒星或星系的距离之间的关系图，发现距离恒星或星系越远，观察到的偏移越大。
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，它是衡量宇宙膨胀速度的一个量。哈勃首先使用千米每秒每百万秒差距（百万秒差距）的符号发表了他对这种膨胀的估计。一个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。天文学家对他的最初估计提出了质疑，在接下来的百年中，关于哈勃常数的精确值一直存在争议。
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。在绕过地球大气层后，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，从而可以更精确地测量该常数，发现该常数为73.8 ± 2.4 km/s/Mpc。每百万秒差距（约326万光年）的距离，宇宙的膨胀速度都会增加73.8公里/秒。一颗距离地球100百万秒差距的恒星，其膨胀速度将达到地球的7,380公里/秒。
而另一台以马克斯·普朗克命名的望远镜，即欧洲航天局于2009年发射的普朗克卫星，则观测了来自宇宙的不可见微波电磁辐射，这些辐射也表现出红移，并发现宇宙的膨胀速度略慢，为67.8 ± 0.77 km/s/Mpc。这个测量值是恒星之间不断增大的距离。
想象宇宙的一种方式是将其视为正在膨胀的面包面团，而恒星则是面团中散布的巧克力片。随着面团膨胀，面团中每个巧克力片之间的距离都会增加。这种膨胀的速度可以超过光速，因为没有任何东西在移动那个距离，而是距离本身在点之间膨胀。
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遥远天体（大熊座中的GN-z11星系）的发现，该星系距离地球112,738百万秒差距（红移为11.1）。地球和这个遥远的GN-z11星系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最后一次共享同一个空间是在129.40亿年前，而它们之间的距离正在不断加速膨胀。如果我们将这个宇宙膨胀过程倒过来，我们会发现宇宙的估计年龄约为135亿年，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，这种宇宙膨胀速度在1米距离内的表达方式是每31.7年膨胀一个原子的宽度。自从地球形成至今的45亿年里，宇宙的膨胀只增加了每米1厘米。然而，在广阔的宇宙空间中，这种宇宙膨胀是相当大的。
史蒂芬·霍金在他2018年去世之前的一次演讲中写道：“宇宙膨胀是20世纪乃至任何世纪最重要的智力发现之一。”事实上，从生活在地球上的人的角度来看，就好像夜空中所有的恒星都在向你飞奔而去，就像孩子们玩的一种宇宙追逐游戏，而你是“它”。这个正在膨胀的宇宙是太阳系在宇宙中完全孤立的决定性证据，也证明了地球的极其宝贵和岌岌可危的本质。
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