根據麥克斯韋電磁理論,可見光也是一種電磁波。上述表明,我們日常生活中所說的“光”,本質上與Wi-Fi訊號一樣,也是一種電磁現象。
眾所周知,生活中常見光源的發光機理通常都屬於諸如熱輻射、躍遷、化學反應等這一類的微觀的量子現象,與電和磁沒有任何關係。在物理學中,量子力學與電磁學屬於兩個相互獨立的體系,並用來求解不同種類的物理現象。
可是,這似乎就矛盾了!
為什麼量子現象也可以輻射出電磁場?
熱輻射、躍遷、化學反應等量子現象與電荷、電磁場又有什麼關係呢?
物理上如何解釋這個矛盾?
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1 # 飛賊克斯和康德馬特
先澄清幾個基本概念。
1. 麥克斯韋方程屬於經典物理範疇,或者說樓主所指的電磁學屬於經典物理部分。麥克斯韋根據方程推匯出電磁波的存在,同時發現電磁波在真空中的傳播速度等於光速,由此推斷出光也是一種電磁波。後期赫茲等人的實驗才得以證實。但這個理解層次並沒有到量子力學。
2. 光是無數個粒子——光子組成,說明光具有粒子性。光子的基本行為,可以用量子力學來描述,比如原子的能級躍遷,會發生能量釋放,釋放出來的能量是離散的,也就是一個個光子的形式。原子輻射出來的光都是離散能量的,對於受激輻射出來的鐳射,甚至是單一能量/頻率的;
3. 熱輻射指的是物體受熱輻射出電磁波,出來的電磁波一般是連續波譜,但會集中在某個波段範圍。
4. 無論是麥克斯韋預言的電磁波,原子能級躍遷輻射出來的光,和熱輻射出來的電磁波,本質都是一樣的,全部是電磁波,也是光。
5.狹義上的光,通常說的是可見光,即我們能看到的紅橙黃綠藍靛紫七類顏色的光。廣義上的光,就是電磁波。例如無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線,都屬於電磁波,也都是光。這也是我們常說X光檢查、伽馬光刀等等。人們心目中的電磁波,絕大部分傾向於微波和無線電波,我們日常生活中wifi、手機訊號、衛星導航、無線廣播電視等都是這個波段的電磁波,它們也是光。
好了,理解了以上5點,就可以回答清楚這個問題了。光是電磁波,電磁波也是光。說明光子具有一定的波動性,比如它的頻率、波長、波速等性質,或者說,電磁波的能量量子就是光子。只是,不同電磁波段,涉及的光子頻率是不同的。我們看一眼電磁波譜就知道,原子能級躍遷產生的光子頻率,大部分在x射線、伽馬射線波段,能量相對比較高。熱輻射方面,主要出來的是紅外線,能量相對要低,波長比可見光要長。我們日常生活中各種電磁和通訊裝置用到的電磁波,波長更加長,屬於微波甚至無線電波波段,某些無線電波的波長甚至可以達到數千米量級。因此,原子躍遷出來的光,就是電磁輻射的一種。輻射出來的電磁波,其本質就是光子,都可以用量子力學來描述。
進一步,我們還可以理解場和粒子的概念,這就需要用到量子場論的基本概念。舉列來說,我們說的電磁波,實際上就是電磁場在空間上的週期變化造成的,或者說場的不均勻分佈和動態變化造成的結果。那麼場的變化,在量子力學框架下,就會產生所謂的“激發”,激發出來的粒子就是場對應的基本粒子。電磁場激發態下的就是光子。當然,其他的粒子,也都是各種場的激發態。