看不見的光

一般所說的“光”是指肉眼可見的“可見光”，可是平時也常看到“紫外光(線)”和“紅外光(線)”這樣的名詞，現在的氣象預報也都有“紫外線指數”這樣的項目。這些“……外線”是什么光線?有沒有辦法看到它們呢?

顧名思義，“紅外線”就是在光譜上位于紅光外面的光線，而“紫外線”當然就是在光譜上位于紫光外面的光線了。人類眼睛可以看得到的可見光，分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等“七彩”色光，這樣的順序代表的是這些色光的頻率。

可見光是電磁波頻譜中的一小部分，紅光的波長比較長，而紫光比較短。如果套用現在流行的“納米”為單位，紅光波長大約是700納米，紫光波長大約是400納米。一般人的眼睛只能接收400~700納米這一段的電磁波，比700納米長或比400納米短的電磁波肉眼就感應不到了。

人類對于看得到的東西當然會看得特別仔細，而看不見的東西不免就馬虎一點。因此400～700納米的可見光還被仔細地分成七彩色光，而700納米到1毫米這一段將近可見光波段3千倍的范圍，則被含糊地通稱為“紅外線”，頂多再概略分成“近紅外線”(700納米～4000納米或4微米)、“中紅外線”(4～40微米)、以及“遠紅外線”(40微米～1000微米或1毫米)。甚至不同學者對于“遠”、“中”、“近”范圍的定義都會有所不同。

由于這些是人類肉眼無法直接感受到的波段，所以以往進行研究比較困難。其實紅外線廣泛地出現在我們的日常生活中，只是常常因為看不到而忽略了它。下面就舉幾個常見的應用作為例子。

生活中最常用到紅外線的地方，大概就是“遙控器”了。現在只要是具有遙控功能的家用電器，幾乎都是利用紅外線進行遙控。隨著科學越來越進步，而人類越來越懶惰，紅外線遙控在家庭中的應用也越來越廣。現代家庭中光是客廳起碼都有三五個遙控器，像電視、空調、音箱、DVD放映機，甚至電扇和電腦的無線鼠標都使用紅外線進行遙控。

大家如果拿起遙控器看看前端的部分，就會看到一個像小燈泡的紅外線發光二極體。當按下其中一個按鍵時，我們并沒有看到任何光線，可是電視或空調等家電卻開始有了反應，這時就是紅外線在發揮作用了。一般家電遙控器所用的紅外線都是在“近紅外線”波段，波長大多在1000納米(1微米)以內。

紅外線是一種不可見光，那我們有沒有辦法看到它呢?用眼睛直接看當然是沒辦法，但可以用“電荷耦合二極體”把紅外線轉換成可見光。CCD就是在數碼相機和攝影機里面，用來擷取影像并轉換成為電磁訊號的那一塊芯片。除了數碼相機和攝影機之外，電視新聞經常提到、街頭巷尾到處都有的監視器，也是利用CCD的一個例子。

許多CCD不只可以接收可見光，甚至還可以接收近紅外線及近紫外線波段的影像。但是在數碼相機或攝影機上如果多出了這些影像，那色彩就失真了，所以一般的攝影機或數碼相機必須多加一些濾鏡把這些光線濾掉。如果把這些濾鏡拿掉，就可以拍攝到近紅外線的影像。有些用在保安上的CCD監視器，可以拍到近紅外線影像，因此能夠在入侵者自以為月黑風高神不知鬼不覺的情況下，把影像拍下來作為破案的線索。

遙控器或一般紅外線CCD感應的近紅外線波長，大多在1000納米以下。以波長1000納米為例，依據黑體輻射的估算，對應的溫度范圍在絕對溫度2900K左右，大約是一般鎢絲燈泡的溫度。而一般人體的攝氏37度相當于310K，發出的熱輻射波長主要落在9350納米附近，屬于中紅外線的范圍。前幾年SARS傳染期間非常熱門的耳溫槍或紅外線熱影像體溫計，就是掃描這個波段的紅外線來判定人體的溫度。

除了遙控家電、拍攝影像和量體溫之外，在生活中另外一個經常會用到紅外線的地方，就是幫我們看門的電動門。大家應該都有到便利超市買東西的經驗，當我們來到超市門口時，店家的玻璃門就會自動打開，并且發出“歡迎光臨”的聲音。電動門為什么知道有人走到門口了呢?這就是紅外線感應器發揮了作用。

常見的紅外線感應方式可以分成“主動式”與“被動式”兩種。所謂主動式感應器，是由一組發射器與接收器所組成，一般用在警告不速之客的場合比較多。這種感應器的發射器必須對著接收器發射紅外線光束，所以比較屬于“點對點”的感應方式。

當有物體經過其間而遮斷了光束時，接收器會因為收不到光束而發出警報聲或“歡迎光臨”的聲音。在許多影片中，劇中人物必須極盡所能地扭曲自己的身體穿過高科技的警報系統，那所謂高科技的警報系統，說穿了就是一套主動式的紅外線感應器而已。

那真的可以像影片中一樣，戴上一個特殊眼鏡就可以看到一條條的紅外線嗎?各位如果讀過前面的部分，就會發現電影中說得很玄的東西，說穿了根本不值什么錢。由于這種感應器大多是使用近紅外波段，所以只要有一個好一點的紅外線CCD再加上一點點煙，就可以拍到這些光束，接著只要把影像接到熒幕(影片中大多是眼鏡大小的小型液晶熒幕)放映出來，這些紅外線就無法遁形了。

至于被動式的感應器，大多用于商店門口迎賓及送客之用。這種感應器不需要裝一個紅外線發射器，因為人體自己就是一個紅外線發射器。這種感應器使用的是接近人體溫度的中紅外線波段。

由于一般外界環境的溫度比人體低一點，所以平常不會有感應，但是當有人走近感應范圍時，感應器會感應到一個比較熱的發射源，這時就會跟你說“歡迎光臨”了。這種感應器不適合用在戶外，因為戶外溫度變化太大，甚至有時室外溫度會比人體溫還度高，那這種感應器就無法工作了。

在軍事用途上，紅外線常常因為肉眼不可見的特性，而被用于夜間突襲和偵察。像美伊戰爭時，伊拉克地面部隊從頭到尾被美軍壓著打，很重要的一個原因就是美軍部隊的夜戰設備太多太好了，連美國隨軍記者的攝影機都有紅外線和星光夜視能力。在許多新聞報導中，伊拉克民兵還在街頭探頭探腦時，美軍記者已經取好鏡頭調好焦距，等著一旁的美軍開火。敵暗我明之下，伊拉克民兵當然只有挨打的份了。

在我們的生活中其實充滿了紅外線，因為物體只要有熱就會發出熱輻射，這些熱輻射的波長會隨著溫度而略有差異。人類生存的地球環境溫度(－50℃～50℃)所發出的熱輻射，都屬于中紅外線的范圍，因此我們周圍的每件東西都在發出紅外線。而近些年來非常熱門的“溫室效應”，就和地球環境中的紅外線有密切的關系。

所謂的“溫室”，最早是中高緯度國家為了種植怕冷的熱帶植物而興建的讓陽光進得來出不去的玻璃房，一般來說，即使不加熱也可以比戶外高個十來度。

為什么玻璃房可以當溫室呢?關鍵就在玻璃材質對于不同波長光線的透射率不同。我們對玻璃的印象是“透明”的，但其實玻璃的透明只限于可見光及鄰近的近紅外線、近紫外線。對于接近室溫的中紅外線，玻璃呈現出的性質完全不同。由于陽光最主要的能量波段是在可見光范圍，這些光線可以長驅直入穿透玻璃進入溫室之內。當可見光被地面或植物吸收之后，室內溫度會略微上升幾度，這時地面發出的熱輻射是屬于中紅外線波段，由于被紅外線玻璃擋住了出不去，于是能量就被關在溫室內盒，使溫度上升，這就是所謂的“溫室效應”。

地球的溫室效應主要來自二氧化碳等溫室氣體，它們和玻璃一樣有透過可見光而攔截中紅外線的性質，因此二氧化碳多的時候，行星會留住較多的能量而使溫度上升，金星便是一個溫室效應過度而造成惡性循環的例子。可是二氧化碳太少也不行，因為那樣又會留不住能量而使得溫度太低，火星便是另外一個極端的例子。

以往大氣中的二氧化碳濃度變化很慢，可是自從工業化之后，人類大量地燃燒煤炭、石油以取得能量，結果造成了二氧化碳快速增加。

有些科學家就擔心，二氧化碳增加會造成大氣攔截紅外線的能力上升，接著地球的溫度會升高，于是兩極冰山會融解，并且使海水蒸發增加，而水氣也是一種具有溫室效應的氣體，于是大氣攔截紅外線的能力就更加增強了。如果溫室氣體過多，地球溫度就可能步入一個“越熱越蒸發，越蒸發越吸熱”的惡性循環，最后可能會像金星一樣，整個海洋都蒸發掉。

為了避免人類走上這一條絕路，1997年聯合國召集各國代表在日本京都簽訂所謂的“京都議定書”，目的就是管制并減少各國的二氧化碳排放量。雖然許多國家陸續正式簽署了這項議定書，可是2001年全球二氧化碳排放的最大戶(約占全球的1／3)美國宣布退出協議，使得這項努力可能因此而功敗垂成。

溫室效應和全球氣候變遷聽起來似乎離我們遠了一點，其實溫室效應幾乎每天都在我們身邊發生，而且是很激烈地發生。在哪里呢?就在我們的汽車里。在中國南方，夏天溫度最高可以達到40度，但如果把汽車停在中午的太陽底下曬個一二個小時，車內的溫度就可以高達七八十度，里外溫度相差將近40度，這就是溫室效應的最好實例。

紅外線無時無刻不存在于我們的生活中，我們隨時都在享受著紅外線研究帶來的便利與舒適。在享受紅外線帶來的便利時，如果多了解一點紅外線的本質與應用，將使人類的生活更舒適，也可以讓人類避免踏上錯誤的死路。