我们常在日常生活中提到光速,它不仅是物体运动速度的极限,还能在一秒内绕地球走七圈半,其速度大约是30万公里每秒(为了方便理解,我们这里将其简化为30万公里每秒)。
那么,光从何而来?在它出现之前,是否经历了加速的阶段呢?
通常我们认为,任何物体想要达到一定速度,都需要经历从静止到目标速度的过程,如汽车的启动或火箭的升空。
那么光速也是这样吗?它是否也从0米每秒逐渐加速到30万公里每秒呢?
答案是,光并不需要加速过程。
要理解这一点,我们需要从量子力学的基本原理说起。量子力学的形成,正是从探索这一问题开始的。
从两千多年前直到1900年,人们普遍认为世界上的一切都是连续存在的。
这种连续性的概念也被牛顿力学所接受。但正是这种深植于人心的思维方式,使得量子力学的开创者们在提出能量不连续的概念时,也感到自己的想法过于激进。
连续性意味着物质的构成和速度的变化都是平滑的。
然而,在19世纪末,这种思维遭遇了挑战。尽管连续性的概念在宏观世界中非常适用,19世纪后半期人们开始探索微观世界时,仍旧持有这种连续的思维方式。
起初,当我们尝试用连续性来解释微观世界时,遇到了黑体辐射问题,这与连续性思维明显不符。根据连续性,瑞利-金斯定律预测的黑体辐射将导致“紫外灾难”,这与观察到的结果完全不同。
试图用连续性来解释黑体辐射光谱的尝试都以失败告终。
普朗克通过物理经验,将连续性转化为不连续性,从而精确解释了黑体辐射的光谱数据。尽管如此,他本人仍旧倾向于连续性的思维。
但最终,事实证明了不连续性的正确性。爱因斯坦首先将不连续性应用于光量子理论,成功解释了光电效应,并因此获得诺贝尔奖。之后,玻尔将这一概念应用于原子外电子的能级跳跃,能量量子化在一系列实验中取得了巨大成功。
量子力学的整个体系实际上是建立在不连续性之上的。我们经常提到的能量量子化,意味着能量的吸收和释放不再是连续过程,而是以一定的单位进行跳跃。
例如,电子只能吸收一个或多个光子的能量,即一个或多个hv。这里的hv代表单个光子的能量,其中h是普朗克常数,v是频率。能量吸收过程不会有从0.5hv到0.6hv的过程。
电子的能量吸收方式是1hv、2hv、3hv……而不是0到1hv的连续过程。如果按照连续的思维,能量应当可以被无限细分,但实际上只能通过跳跃式进行。
这种连续的能量吸收模式是错误的,而量子化才是正确的解释方式。
同样,光速的形成也是一种量子化的跳跃。无论是受激辐射还是自发辐射,光子在产生时就已经是光速,不存在从0米每秒到30万公里每秒的加速过程。
这种解释可能难以令人立即接受,但无数实验已经证明,没有比能量量子化更好的方式来解释自然现象了。
我们在总结自然规律时必须保持客观,不能夹杂个人主观偏好。
量子力学就是这样一门科学,它揭示了自然的真实面貌,不会因人的主观愿望而改变。我们应该学会接受自然的客观规律,而不是像一些非科学活动那样,在没有任何证据支持的情况下,因个人喜好而非议量子力学。