为什么光子是量子化的?

时间:2022-05-10 10:45:27   作者:
为什么光子是量子化的的第一个解读可以理解为为什么光子以离散的能量,而不是连续的能量频谱出现?对这个问题的第二种解读可以理解为:为什么我们把光子当作粒子(即量子化的能谱,空间范围有限),而不是当作波(即连续的能谱,空间范围任意)?(把离散的能量与粒子联系起来,把连续的能量与波联系起来,当然是错误的;两者都可以。)

第一个问题的答案是,当光子是由结合粒子系统,这些系统离散谱的特定的能量水平,如原子,那么光子也会表现出一个离散频谱的特定能量(每个光子只能有一个特定的能量测量时,当然)。无论我们把发射的光子看作粒子还是波,这都是正确的。原因(注意引号)这些光子是唯一的具有特定能量的释放是底层的过程(如电子壳层转换)似乎只产生一个单光子,包含所有相关的能源转型,而不是任意数量的光子,它们之间的总能量。我们不知道为什么会是这样;原因很简单,这就是我们所观察到的(尽管这条规则有一些罕见的例外-参见脚注[1])。我们的量子力学描述就是为了与这一观察相一致而发展起来的(如果它不是……,那就没有什么意义了)。注意我说的是描述,不是解释;科学只是试图描述自然,而不是解释它。从更基本的现象及其相关概念来看,看似对现象的解释实际上只是更深层次的描述。

光子是从涉及非束缚的过程和相互作用中产生的。免费——粒子,如轫致辐射和散射粒子与粒子之间的,可以有任意的能量,从能量的连续光谱,因为自由粒子产生他们也可以表现出一个连续谱的能量,不限制特定的改变他们的能量,这些过程中离散量。

此外,光子与离散能量光谱从绑定过程和连续能量光谱的过程既能接受原始能量的变化(从一个观察者的角度,至少)的多普勒频移,如果光子源相对于观察者运动,引力红移或蓝移,如果光子穿过一个变化的引力场。这两种现象都将产生将光子的原始能量在能谱上向上或向下调换的影响,因此,即使最初从束缚过程中产生的光子,具有从离散光谱中明确定义的能量,也可能最终拥有几乎所有的能量,在适当的情况下(例如光源的极端相对速度,或极端引力场)。然而,任何能量有一个微妙的条件,我将在这个答案的最后探讨。

第二个问题的答案是,为什么我们把光子当作粒子,而不是波?,只是我们不——至少不是一直都这样。这取决于在任何情况下我们对建模光子的哪些特性感兴趣,以及光子实际在做什么,以及哪种描述是最有用和最合适的。但基本规则是光子——以及所有的亚原子粒子——像波一样传播,像粒子一样相互作用。从这个意义上说,不存在光子或电子是一个或另一个的波粒二象性;它实际上是同时存在的,我们只是选择我们感兴趣的方面。一些作者选择使用诸如波而不是波和/或粒子这样的术语来使这种类似嵌合体的特性更加明确。

事实是,人类根本没有语言和概念工具来描述我们遇到的奇怪的实体在量子领域,因为我们的语言和概念开发应对宏观领域,量子古怪在哪里不能明显看出大多数人(尽管如果你知道一些物理,知道去哪里找它,你就能在宏观世界里到处看到量子的怪异!)当我们使用以宏观现实为模型的词语和概念来描述量子现实时,它们必然会有些粗糙、不准确和误导。这就是为什么我们通常求助于数学描述,因为它把我们从普通语言的限制和它的概念包袱中解放出来,并允许我们的模型更精确。
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