宇宙中第一缕光从哪里来?

光既常见又神秘。我们每天沐浴在金色阳光的温暖中,用白炽灯和荧光灯来驱除黑暗。但光到底是什么?当阳光穿过布满灰尘的房间时,当暴风雨过后彩虹出现时,或者当一杯水中的吸管看起来弯曲时,我们瞥见了它的本质。然而,这些一瞥只会引出更多的问题。光是以波、射线还是粒子流的形式传播?是单色还是多种颜色混合在一起?光有哪些共同的特性,如吸收、反射、折射和衍射?宇宙中第一缕光从哪里来(即光的起源)?

宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?
  • 图:作为居住在阳光灿烂的地球的公民,很难忽视阳光的存在。在这篇文章中,我们向光致敬,因为一个无光的世界将是一个阴郁的地方。

你可能认为科学家们知道所有的答案,但是光仍然让他们感到惊讶。举个例子:我们总是想当然地认为光的传播速度比宇宙中任何东西都快。然后,在1999年,哈佛大学的研究人员通过一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的物质状态,将光束的速度降低到每小时每小时61公里。正常光速度是该速度的1800万倍!就在几年前,没人会想到会有这样的壮举。然而,当你认为你已经弄明白了光原理时,它却无视你的努力,似乎又改变了它的性质。

不过,对光的理解,我们已经取得了很大进展。科学史上,世界上一些智者用他们的聪明才智全心身投入到光的研究。阿尔伯特·爱因斯坦试图想象“骑”在光束上会是什么样子。”如果有人追着一道亮光跑呢?”他问自己,“如果一个人跑得足够快,与光一样快时,时间会不会静止?”

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不过,爱因斯坦对光的研究已经走在了最前面。要了解光的工作原理,我们必须把它放在适当的历史背景中。我们的第一站是古代世界,在那里,一些最早的科学家和哲学家思考了这种神秘物质的真实本质,这种物质能刺激视觉,使事物可见。

光是什么?

几个世纪以来,我们对光的看法发生了巨大的变化。关于光的第一个真正的理论来自古希腊人。其中许多理论试图将光描述为光线——一条从一点移动到另一点的直线。毕达哥拉斯以直角三角形定理而闻名,他提出视觉是由人的眼睛发出的光线照射物体而产生的。

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伊壁鸠鲁的观点正好相反:物体产生光线,然后光线传播到眼睛。其他希腊哲学家——最著名的是欧几里德和托勒密,非常成功地使用射线图来显示光是如何从一个光滑的表面反弹,或在从一个透明介质到另一个透明介质时发生折射弯曲。

阿拉伯学者将这些思想进一步锤炼,发展了现在所称的几何光学——将几何方法应用于透镜、镜子和棱镜的光学。最著名的几何光学实践者是伊本·海瑟姆(ibn al-haytham),他在公元965年到1039年间生活在当今的伊拉克。伊本·海瑟姆(ibn al-haytham)识别了人眼的光学成分,并正确地描述了视觉是光线从物体反射到人的眼睛一个过程。这位阿拉伯科学家还发明了针孔照相机,发现了折射定律,并研究了一些基于光的现象,如彩虹和日食。

到了17世纪,一些著名的欧洲科学家开始对光有不同的看法。一个关键人物是荷兰数学家-天文学家克里斯蒂亚安·惠更斯。1690年,惠更斯出版了他的《光论》,他在其中描述了对光的理解。在这个理论中,他推测了某种无形的媒介——以太——的存在填补了物体之间的所有空白空间。他进一步推测,当发光体在以太中引起一系列波或振动时,光就形成了。然后,这些波向前推进,直到遇到物体。如果那个物体是眼睛,波浪会刺激视觉。

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这是最早,最雄辩的光波理论之一。不是每个人都接受它,艾萨克·牛顿就是其中之一。在1704年,牛顿提出了一个不同的方案——一种将光描述为物质或粒子。毕竟,光以直线传播,从镜子上反弹,就像球从墙上弹下来一样。没有人真正看到过光粒子,但即使是现在,也不是那么容易解释为什么会这样。这些粒子太小,或移动太快,无法用眼睛看见这些单个粒子。

事实证明,所有这些理论既正确又错误,这些理论对于描述光的某些行为都很有用。

光线

将光线想象成光线,可以非常精确地描述三种众所周知的现象:反射、折射和散射。让我们花点时间讨论一下。

在反射中,光线照射到光滑的表面(如镜子)并反弹。 反射光线总是以与入射光线击中表面的角度相等的角度从材料表面反射出来。在物理学中,叫做反射定律,即是:“入射角等于反射角。”宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

光的反射定义

当然,我们生活在一个不完美的世界里,并不是所有的表面都是光滑的。当光线照射到粗糙的表面时,因为表面是不均匀,入射光线会以各种角度反射。这种散射发生在我们每天遇到的许多物体上。纸的表面就是一个很好的例子,如果你在显微镜下观察它,你会发现它特别粗糙。当光照到纸上时,光波会向四面八方反射。这就是纸张如此有用的原因——无论你的眼睛从什么角度看表面,你都可以阅读印刷页上的文字。

折射发生在光线从一种透明介质(比如说,空气)经过另一种透明介质(水)时。当这种情况发生时,光线会改变速度,光线会折射,向我们称之为“法线”的方向折射,这是一条与物体表面垂直的假想直线。光波的弯曲量或折射角取决于材料减缓光线的程度。光进入钻石后,大大的减缓,因而能闪闪发光。钻石的折射率比水高,也就是说,那些闪闪发光的光阱会在更大程度上减缓光线。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

光的折射与反射

透镜,像望远镜或眼镜中的透镜,利用的是光的折射。透镜是一块玻璃或其他透明物质,其弯曲的一面用来聚光或分散光线。透镜用于折射每个边界处的光。当光线进入透明材料时,它会被折射。当同样的光线离开时,它又折射出来了。在这两个边界处折射的净效果是光线改变了方向。我们利用这一效果来矫正一个人的视力,或者通过使远处的物体看起来更近或者小物体看起来更大来增强视力。

不幸的是,射线理论不能解释光所表现出的所有行为。我们还需要一些其他的解释,比如我们接下来要讨论的内容。

光波

与水波不同,光波遵循更复杂的路径,它们不需要介质来传播。

19世纪初,还没有真正的证据来证明光的波动理论。这种情况在1801年发生了变化,当时英国医生兼物理学家托马斯·杨设计并运行了科学史上最著名的实验之一。它今天被称为双缝实验,需要简单的设备——一个光源、一张并排开两个孔的薄卡片和一个屏幕。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

托马斯·杨的双缝实验

为了进行这个实验,托马斯·杨允许一束光线穿过针孔,击中卡片。他推断,如果光线中含有粒子或简单的直线光线,没有被不透明卡挡住的光线就会穿过狭缝,以直线的方式传播到屏幕上,在屏幕上会形成两个亮点。托马斯·杨没有观察两个亮点,取而代之的是,他在屏幕上看到了明暗交替的条形码图案。为了解释这种出乎意料的模式,他设想光像水波一样在太空中传播,有波峰和波谷。他这样想,得出结论:光波穿过每个狭缝,形成两个独立的波前。当这些波前到达屏幕时,它们相互干扰,在两个波峰重叠和叠加的地方形成了明亮的波带,在波峰和波谷排成一列并完全相互抵消的地方形成了暗带。

托马斯·杨的工作激发了人们重新思考光的工作原理。科学家们开始提及光波,并相应地改变了对反射和折射的描述,指出光波仍然遵循反射和折射定律。顺便说一下,光波的折射解释了我们经常遇到的一些视觉现象,比如海市蜃楼。海市蜃楼是当从天空向地面移动的光波被加热的空气折射时产生的一种错觉。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

光是电磁波

19世纪60年代,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(james clerk maxwell)在阐述电磁理论时,他把光描述成一种非常特殊的波——一种由电场和磁场组成的波。这些场与波的运动方向成直角振动,彼此成直角振动。因为光有电场和磁场,所以也被称为电磁辐射。电磁辐射不需要介质来传播,当它在真空中传播时,以每秒约300000公里的速度移动。科学家称之为光速,是物理学中最重要的数字之一。

一旦麦克斯韦引入了电磁波的概念,一切就井然有序了。科学家现在可以根据波的结构和功能,利用波长和频率等术语和概念,开发出一个完整的光的工作模型。根据这个模型,光波有很多种大小。波的大小是以波长来衡量的,波长是连续波上任意两个对应点之间的距离,通常是峰到峰或谷到谷的距离。我们能看到的光的波长范围从400纳米到700纳米(或十亿分之一米)。但是电磁辐射定义中包含的所有波长范围,从伽马射线中的0.1纳米延伸到无线电波中的厘米和米。

光波也有许多频率。频率是指在任何时间间隔(通常是一秒钟)内通过空间某一点的波的数量。我们以每秒的周期(波)或赫兹为单位来测量它。可见光的频率被称为颜色,范围从430万亿赫兹(红色)到750万亿赫兹(紫色)。同样,整个频率范围超出了可见部分,从无线电波中小于30亿赫兹,到伽马射线中大于30亿赫兹(3×10^19)。

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光波中的能量量与其频率成正比:高频光具有高能量;低频光具有低能量。所以,伽马射线的能量最大(部分原因是它对人类如此危险),而无线电波的能量最小。在可见光中,紫色的能量最大,红色最少。如附图所示,整个频率和能量范围称为电磁频谱。注意,这个数字不是按比例绘制的,可见光只占光谱的千分之一。

这并不意味结束了对光的讨论,爱因斯坦在20世纪初的工作重新唤起了一个古老的观念,光,也许还是粒子。

光作为粒子

麦克斯韦对电磁辐射的理论处理(包括对光波的描述)是如此优雅和具有预见性,以至于19世纪90年代的许多物理学家认为,关于光及其工作原理,没有什么可说的了。然后,在1900年12月14日,马克斯·普朗克(Max Planck)提出了一个简单但令人不安的想法:光必须携带离散量的能量。他提出,这些数量必须是基本能量增量hf的单位,其中h是一个宇宙常数,现在称为普朗克常数,f是辐射的频率。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

光照耀在太阳能板上释放能量包,利用这些能量可以发电

在1905年,阿尔伯特·爱因斯坦研究光电效应时提出了普朗克的理论。首先,他开始在金属表面照射紫外线。当他这样做时,他能够探测到从表面发射的电子。这是爱因斯坦的解释:如果光中的能量成束,那么人们可以认为光包含微小的块状或光子。当这些光子撞击金属表面时,它们就像台球一样,将能量转移到电子中,电子从它们的"父"原子中分离出来。一旦释放,电子沿着金属移动或从表面弹出。

光的粒子理论回来“复仇”了。接下来,尼尔斯·波尔运用普朗克的想法来完善原子模型。早期的科学家已经证明原子是由正电荷核组成的,原子核被电子像行星一样围绕轨道,但他们无法解释为什么电子不能简单地螺旋进入原子核。1913年,波尔提出电子存在于基于其能量的离散轨道上。当一个电子从一个轨道跳到一个较低的轨道时,它以光子的形式发出能量。

光的量子理论——光作为微小的包或粒子(称为光子)存在的想法——慢慢开始出现。我们对物质世界的理解将不再相同。

波粒二象性

起初,物理学家不愿意接受光的双重性质。毕竟,我们很多人都喜欢有一个正确的答案。但是在1905年,爱因斯坦为接受光的波粒二象性铺平了道路。我们已经讨论过光电效应,它使爱因斯坦把光描述成光子。然而,同年晚些时候,他在一篇介绍狭义相对论的论文中,给这个故事增加了一个转折点。在这篇文章中,爱因斯坦把光看作是一个连续的波场,这与他把光描述成粒子流的说法明显矛盾。但那是他天才的一部分,他心甘情愿地接受了光的奇异性质,选择了最能解决他试图解决的问题的属性。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

光的波粒二象性

今天,物理学家接受了光的双重性质。在这种现代观点中,他们把光定义为一个或多个光子的集合,这些光子以电磁波的形式在空间中传播。这个定义结合了光的波和粒子的性质,使得重新思考托马斯杨的双狭缝实验成为可能:光以电磁波的形式从一个光源传播出去。当它遇到狭缝时,它穿过并分成两个波前。这些波前重叠并接近屏幕。然而,在撞击瞬间,整个波场消失,出现一个光子。量子物理学家经常这样描述:扩散波“崩塌”成一个小点。

同样,光子使我们能够看到周围的世界。在完全黑暗的环境中,我们的眼睛实际上能够感知到单个光子,但通常我们在日常生活中看到的东西,都是以光源和物体反射出的无数光子的形式出现的。如果你现在环顾四周,房间里可能有一个光源产生光子,房间里的物体反射这些光子。你的眼睛吸收了一些流经房间的光子,你就是这样看物体。

但是等等,什么使光源产生光子?这是下一个我们会解决问题。

产生光子

产生光子的方法有很多,但所有方法都使用一个原子内部的相同机制来完成。这个机制涉及到围绕每个原子核运转的电子的激发。核辐射的工作原理对质子、中子和电子作了详细的描述。例如,氢原子有一个电子绕着原子核转。氦原子有两个电子围绕原子核运转。铝原子有13个电子绕着原子核旋转。每个原子都有一个围绕其原子核旋转的首选电子数。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

电子跃迁后,回到低能级轨道时产生光子

电子以固定轨道绕着原子核旋转——一种简单的思考方法是想象卫星如何绕地球旋转。围绕电子轨道有许多的理论,但是要理解光,只有一个关键的事实需要理解:电子有一个稳态的自然轨道,但是如果你轰击给原子,你可以把它的电子跃迁到更高的轨道。当处于高于正常轨道的电子回到正常轨道时,就会产生光子。在从高能下降到正常能量的过程中,电子发射出一个光子——一包能量——具有非常特殊的特性。光子的频率或颜色与电子下落的距离完全匹配。

在气体放电灯中你能很清楚地看到这种现象。荧光灯、霓虹灯和钠蒸气灯是这种电灯的常见例子,它们通过电流使气体发光。气体放电灯的颜色根据气体的种类和灯的结构而有很大不同。

例如,在高速公路和停车场,你经常会看到钠蒸气灯。你很容易分辨出钠蒸气光,因为钠蒸气光呈现黄色,该光是钠原子受激发后产生光子形成。钠原子有11个电子,由于它们在轨道上的堆积方式,其中一个电子最有可能接受和释放能量。 该电子最有可能发射的能量包恰好落在590纳米波长附近,该波长对应于黄光。 如果你用钠光穿过棱镜,你看不到彩虹——你看到一对黄线。

生物发光:生物体如何发光

产生光子的另一种方法称为化学发光,涉及化学反应。 当这些反应在细菌,萤火虫,鱿鱼和深海鱼类等生物中发生时,该过程称为生物发光。 至少需要两种化学物质才能发光。 化学家使用通用术语“荧光素”来描述一种产生光的物质。科学家用荧光素酶来描述驱动或催化反应的酶。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

夏日,树林中萤火虫光

基本反应遵循一个简单的顺序。首先,荧光素酶催化荧光素的氧化。换言之,荧光素与氧发生化学结合,生成氧化荧光素。这种反应也会产生光,通常在光谱的蓝色或绿色区域。有时,荧光素与一种被称为光蛋白的大结构中的催化蛋白和氧结合。当离子(通常是钙)加入到光蛋白中时,它会氧化荧光素,导致光活性和不活跃的氧化萤光素。

在海洋生物中,生物发光产生的蓝光最有帮助,因为波长约470纳米的光在水中传播得更远。而且,大多数生物体的视觉器官中没有色素,使它们能够看到更长(黄色、红色)或更短(靛蓝、紫外线)的波长。

接下来我们探讨常见的白炽灯。

白炽度:使用热量创建灯光

可能最常见的激发原子的方法是加热,这是白炽灯的基础。如果你用喷灯加热马蹄铁,它最终会变得红热,如果你继续加热它,它就会变得白热化。红色是最低能量的可见光,所以在一个炽热的物体中,原子刚刚获得足够的能量,开始发射我们能看到的光。一旦你施加足够的热量来产生白光,就会以多种不同的方式激发许多不同的电子,所有的颜色都会产生——它们都混合在一起,看起来像白色。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

白炽灯

热是我们看到光产生的最常见方式——一个普通的75瓦白炽灯泡利用电力产生热量来产生光。电通过玻璃球内的钨丝。 因为灯丝太细,所以它对电提供了很好的电阻,并且该电阻将电能转化为热量。 热量足以使灯丝发白光。 不幸的是,这不是很有效。 进入白炽灯泡的大部分能量都以热量的形式损失掉。 实际上,与荧光灯相比,典型的灯泡每瓦输入功率可能产生15流明,而荧光灯则每瓦产生50至100流明。

燃烧提供了另一种产生光子的方法。当一种物质——燃料——与氧气迅速结合,产生热量和光时,就会发生燃烧。如果你仔细研究篝火,甚至蜡烛火焰,你会注意到木头或灯芯与火焰之间有一个无色的小缝隙。在这个间隙中,气体上升并被加热。当它们最终变得足够热时,这些气体与氧气结合,能够发光。那么火焰是什么呢?它其实是发出可见光、红外线和一些紫外线的反应气体的混合物。

下一步我们探讨激光。

激光

光的量子性质的一个有趣的应用是激光。你可以了解激光的工作原理,但我们将在这里介绍一些关键概念。激光是“受激辐射的光放大”的缩写,是描述光子波长相同、波峰和波谷同相的光的一种语言。在1960年,研究物理学家西奥多·迈曼(Theodore H.Maiman)研制出世界上第一台工作激光器:红宝石激光器。红宝石激光器包括红宝石晶体、石英闪光管、反射镜和电源。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

红宝石激光器

让我们从红宝石的特性开始,回顾一下迈曼如何使用这些组件来产生激光。 红宝石是一种氧化铝晶体,其中一些铝原子已被铬原子取代。 铬通过吸收绿色和蓝色光并仅发射或反射红光而赋予红宝石其特征性的红色。 当然,迈曼不能使用天然存在的结晶状态的红宝石。 首先,他必须将红宝石晶体制成圆柱体。 接下来,他将高强度石英灯包裹在红宝石圆柱周围,以提供白光闪烁。 闪光中的绿色和蓝色波长激发了铬原子中的电子达到更高的能级。 当这些电子返回其正常状态时,它们发出其特征性的红宝石红光。

这就是它有趣的地方。迈曼在水晶的一端放了一面全反射镜,另一端放了一面半反射镜。反射镜在红宝石晶体中来回反射一些红色波长的光子。这反过来又刺激其他被激发的铬原子产生更多的光子,直到大量精确排列的光子在激光中来回反弹。每次反弹时,一些光子逃逸,这使得观察者能够感知到光束本身。

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今天,科学家们用许多不同的材料制造激光。有些,像红宝石激光器,发出短脉冲光。其他的,如氦氖气体激光器或液体染料激光器,发出连续的光束。

我们接下来研究绚丽多彩的彩虹。

制造颜色

可见光是人眼能够感知的光。当你看到太阳的可见光时,它看起来是无色的,我们称之为白色。虽然我们能看到这种光,但白色不被认为是可见光谱的一部分。那是因为白光不是单一颜色的光,而是多种颜色的光。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

棱镜色散

当阳光透过一杯水落到墙上时,我们看到墙上有彩虹。除非白光是可见光谱中所有颜色的混合物,否则这种情况不会发生。牛顿是第一个证明这一点的人。牛顿通过一个玻璃棱镜把太阳光分成彩虹光谱。然后,他通过第二个玻璃棱镜,并结合了两个彩虹阳光,这种组合产生白光。他的简单实验确凿地证明了白光是多种颜色的混合物。

你可以用三个手电筒和三种不同颜色的玻璃纸做一个类似的实验——红色、绿色和蓝色(通常称为RGB)。用一到两层红色玻璃纸覆盖一个手电筒,并用橡皮筋固定玻璃纸(不要用太多层,否则会挡住手电筒的光线)。用蓝色玻璃纸覆盖另一个手电筒,用绿色玻璃纸覆盖第三个手电筒。进入一个黑暗的房间,打开手电筒,把它们照在墙上,使光线重叠,如图所示。

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在红光和蓝光重叠的地方,你会看到洋红色。在红绿灯重叠的地方,你会看到黄色。在绿色和蓝色的光重叠的地方,你会看到青色。您会注意到,可以通过多种组合来发出白光,例如黄色与蓝色,洋红色与绿色,青色与红色,以及将所有颜色混合在一起。

通过添加这些所谓的附加色(红、绿和蓝光)的各种组合,可以使可见光谱的所有颜色都可见。这就是计算机监视器(RGB监视器)生成颜色的方式。

颜料与吸收

另一种制造颜色的方法是吸收一些光的频率,从而从白光组合中去除它们。被吸收的颜色是你看不到的颜色——你只能看到反弹回你的眼睛的颜色,这被称为减色法。这就是颜料和染料发生的情况,颜料或染料分子吸收特定的频率,并反弹或反射其他频率到你的眼睛。反射频率是你所看到的物体的颜色。例如,绿色植物的叶子含有一种叫做叶绿素的色素,它吸收光谱中的蓝色和红色,并反射绿色。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

减色法:我们看到光是物质反射的光,其余被吸收

你可以用原子结构来解释吸收这一现象。入射光波的频率等于或接近材料中电子的振动频率,电子吸收光波的能量并开始振动,下一步会发生什么取决于原子与电子的结合有多紧密。当电子被紧紧抓住时,吸收就发生了,它们将振动传递给原子核。这使得原子加速,与物质中的其他原子碰撞,然后以热的形式放弃从振动中获得的能量。

光的吸收使物体暗或对入射波的频率不透明。木头对可见光是不透明的,有些材料对某些频率的光是不透明的,但对其他材料却是透明的。玻璃对紫外线不透明,但对可见光透明。

光的起源

今天的科学家们接受光子的存在及其奇怪的波粒子行为。他们仍在争论的是事物存在的一面,比如光从哪里来。为了回答这个问题,物理学家们把注意力转向了大爆炸和爆炸随后的几分钟。宇宙中第一缕光从哪里来?光的工作原理是什么?

宇宙从奇点爆炸

你可能还记得大爆炸是宇宙诞生的事件。你可以阅读更多关于大爆炸理论是如何工作的,但是在这里提醒你一些基础知识会很有用。大约150亿年前,所有的物质和能量都被封闭在一个叫做奇点的小区域。一瞬间,这种单点的超致密物质开始以惊人的速度膨胀。随着新生宇宙的膨胀,它开始冷却并变得不那么稠密。这使得更稳定的粒子和光子得以形成。

下面是可能发生的事情:

  • 紧接着大爆炸之后,电磁不再作为一种独立的力量存在。相反,它加入了弱小的核力量。
  • 此时称为B和W玻色子的粒子也存在。
  • 当宇宙只有0.00000000001秒大时,它已经冷却到足以让电磁力从微弱的核力中挣脱出来,并让b和w玻色子结合成光子。光子与夸克自由混合,夸克是物质的最小组成部分。
  • 宇宙0.00001秒时,夸克结合形成质子和中子。
  • 当宇宙形成0.01秒时,质子和中子开始形成原子。
  • 最后,当宇宙还处于38万年的幼年时,光子释放出来,光线穿过黑暗的太空裂缝。

这种光最终变暗变红,直到恒星中的核熔炉启动并开始产生新的光。我们的太阳大约在46亿年前开启,向太阳系喷涌出光子。从那以后,这些光子就一直流到我们蓝色星球。一些光子落在伟大的思想家——牛顿、惠更斯、爱因斯坦——的眼中,使他们停下来、思考和想象。

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