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05 光物质 Light Matters（第1页）

05光物质LightMatters

光是如何产生的呢？在回答这个问题之前，让我们先看看身边多种多样的发光物体：首先是日常生活中的灯具：基于金属丝发光的普通灯泡；荧光管；我们之前提过的激光笔；从烤面包机到汽车仪表盘等电子设备上的指示灯；阳光，当然还有星光；在地球南北极地才可以有幸看到的极光；不仅如此，还有萤火虫、萤科虫类以及船尾的磷光[1]等等。这些千差万别的物体是通过什么样的方式产生了一个共同的产物——光的呢？

这个问题的答案是，它们都涉及物质——都涉及电荷的转移。当这些电荷加速时，也就是说当它们改变运动速度或者方向时，就会产生光。这是一个简单的物理原理，对它的认识是电磁学理论的伟大成就之一。电场的起源是电荷，比如原子中的电子，其所产生的电场会延伸到整个空间，并吸引像质子一样的带异性电荷的粒子，且这种吸引力会随着其与电子间距离的增加而迅速减弱。正如我在第3章提到的，这是静电产生的力。

振**原子与弯曲电子

现在假设电子突然运动起来，它周围的场也必定会随之改变，这是因为两者间有着千丝万缕的联系。图25描述了这种电场的变化，它看起来像一个“扭结”。位于电场中的质子并不会立刻感应到这种电场的变化，事实上，从电子发生运动到质子感知到电场变化，这之间有一个时间差。在这期间，“电子发生了运动”这一信息是以光速由电子向质子进行传播的。当质子感知到变化之后，质子会根据电子的运动方向而做出反应：如果电子靠近质子，那么质子受到的电场会变强，从而受到更大的力；如果电子远离质子，则质子受到的电场变弱，从而受到的力减小。

现在假设电子来回运动，它周围的电场也会随着这种振**同步发生变化，并且传播到质子所在位置，质子受到这种变化的电场作用发生振**。振**的电场（以及相关的磁场，这里我们不展开讨论）正是我们所说的光。

图25　a。静止电荷的电场线；b。加速运动电子的电场线。当电子加速运动时，如图中电场线的转折（或“扭结”）所示的电场的变化，会以光速远离电子

由于最简单的氢原子只包含一个电子和一个质子，所以我们可以由氢原子入手，理解原子是如何产生光的。首先，让我们考虑一下，当一束光照射在基态原子上时会发生什么。光迫使原子内部的带电粒子——电子和质子——发生运动。但是由于电子比质子轻得多，在给定相同作用力的情况下，电子更容易运动，所以我们可以把质子看做是近似静止的，只考虑电子相对于质子的运动。事实上，电子以光的电场频率振**，并随着电场的变化交替进行加速或减速。

这有点像帮孩子**秋千的过程。使秋千**起来的最好方法就是按照秋千的自然振**周期同步推进，也就是说，在秋千每次运动到最低位置时推一把孩子。即便如此，想让孩子在秋千上**得足够高也需要费一番力气。孩子**到最高位置时的加速度最大，而在最低位置处的速度最大。原子内部的电子也是如此，光束的能量被原子吸收，并转变为电子的运动。

假设你现在停止推秋千，会发生什么呢？孩子会以越来越小的幅度呈弧线摆动，最后慢慢停下来。同样，原子也是如此。电子逐渐停止振**，并把自身的动能转换为光能辐射出去。这就是光的辐射过程，也是例如霓虹灯、荧光灯和激光笔等众多光源发光的原理。

在上面的说明中，我假设原子内部的电子之所以发生振**，是源自一些光束的照射，才导致了光的辐射过程。从某种意义上来说，这就引出了一个问题：最初的这些光是如何产生的呢？事实上，我们可以用其他方法来“激发”原子从而产生光。例如，人们可以简单地通过加热材料来达到这一目的，普通灯泡就是这样一个例子。让电流通过金属丝，金属丝会被加热到很高的温度（有几千摄氏度）。随着金属丝的温度越来越高，电子开始与原子互相碰撞，且碰撞的次数越来越多。这种碰撞激发了原子，也使得电子迅速地加速或者减速。通过这一过程产生的光具有很宽的颜色范围，具体会产生什么颜色的光取决于材料被加热后所达到的温度，而不取决于构成这种材料的原子类型。

电也可以通过其他途径产生光。例如，在发光二极管（light-emittingdiodes，缩写为LED，常用于显示器的制造）中，通过它的电流或者说是电子流，可以被原子直接捕获。这种产生光的方法比利用热源产生光的效率要高得多。荧光管也是利用电流直接激发原子，但这发生在充满气体的灯管中。不仅如此，许多不同的化学或生物反应都可以释放能量，其中一些能量会以光的形式离开原子或分子。这还可以用来解释萤火虫是如何发光的。

正如我们之前提到的，加速度具有两个方面的含义：一个是速度大小的变化，正如之前提到的氢原子中电子和质子速度的变化；另一个则是方向的变化，哪怕速度保持恒定时也一样。加速度的方向变化在汽车转弯时很常见。当汽车转弯时，你被推到车门的一侧或者座位的一侧，并感受到有一种力使你随着车一起转向。当你转弯的速度越大，你感受到的力也越大。这表明你在加速，即使在行驶速度上并没有发生任何改变。

当带电粒子经历这种只改变运动方向而不改变速度的运动时，它们也会发出光。想象一下，一群电子被迫做圆周运动（你可以想象成它们被固定在旋转的车轮边缘处）时，由于这个角加速度的存在，它们会产生光。随着电子做圆周运动的速度不断增加，光的波长会变得越来越短，因而光子的能量也越来越大。以这种方式产生的光称为同步辐射，这也是产生X射线的一种常用手段。它还与南北极极光的产生有关：来自太阳的带电粒子进入大气层时受到地球磁场的作用进行螺旋运动从而产生极光。

量子光的生成过程

以上提到的这些基本机制是所有光源产生光的基础。但是当一些原子以群体的形式进行活动时，它们的行动方式会对最终辐射出的光的特性产生强烈影响。正如我在第1章中所提到的，普通灯泡发出的光与激光笔发出的光截然不同。为了理解这一点，我们需要深入研究原子的结构，因为原子的发光过程并不能完全类比成孩子**千秋的过程。由于原子和分子是量子力学实体，因此对于原子的发光过程，我们需要考虑一下它们的量子特性。

就我们目前讨论的问题而言，原子或者分子的量子特性仅仅意味着它们中的电子只能保有固定的能级。如果使用我们的**秋千模型，这就意味着**秋千的最大摆动幅度不能为任意值，相反，幅度被限定为几个特定的值，也就是说它的值是量子化的。更具体地说，秋千摆动的能量来自离散的“小包裹”或量子单元。当你推动秋千的时候，你只能使秋千以一个或者多个量子单元进行摆动。在原子内部，这意味着当电子吸收或者发射出单个光子时，电子的能量只能以上述的不连续单位发生跃迁。与日常生活中的能量标准相比，电子发生跃迁需要的能量非常非常小。把你房间里的灯打开，它消耗能量的速率是每秒60焦耳（Joules），即60瓦（W）。而灯泡中的原子发射的单个光子的能量大约为10-18焦耳，因此，一个灯泡每秒发出超过1018个光子。

图26　一个原子吸收光子（a）、自发辐射（b）、受激辐射（c）的过程

只要用适当频率的光照射在原子上，原子就会进入激发态，如图26a所示（当然，我们还可以用其他的方式激发原子，例如给介质通电流等）。现在，根据量子理论中电子的跃迁运动可以推论出，当原子中的电子处于任一离散能级时，都是非常稳定的，因而不会主动发射光。电子就好比是放在橱柜中某一层架子上的球，从理论上来讲，它可以通过掉落到下一层架子上来降低能量，但这在实践中是不可能发生的，除非你稍微推一下它，不然球自己是不会滚落下来的。

这么看来，量子物理学似乎表明原子是不会发光的，因为你一旦把原子中的电子放在那些特定的轨道上，它们就会一直保持稳态，不会发光。事实上，除非电子处在最低能量状态，还存在一个推力将电子从较高能级跃迁到较低能级，否则是不会发光的。令人惊讶的是，这个推力是凭空产生的。

在第4章中，我提到了量子物理学最奇特的特征之一：即使是空旷的什么都不存在的空间，也充满热火朝天的“真空波动”。电磁场中的这些波动可以使原子中的电子跃迁到一个较低能级，并且，由于能级跃迁而产生的能量会以辐射光的形式释放出来。这个原子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的基态，并释放出一个光子的过程，就叫自发辐射（见图26b）。每一个原子都能自发辐射。这一概念最初由爱因斯坦提出来，是为了解释光束与它所照射的物质之间的能量平衡关系。如果原子不发生自发辐射，那么原子就会保持住来自光束的能量。在这种情况下，我们平时到处都能看到的情况，即大部分事物都处于一个与其周围环境稳定平衡的状态，就基本上不可能存在了。

爱因斯坦认为自发辐射的核心奥秘就是它是一个随机过程。你不能确切地说出任何给定的原子何时会跃迁。你唯一可以说的是，平均来说，在一段时间（这取决于特定的原子，但是一般来说大约是一万亿分之一秒）内，在一个大的原子集合中，大约三分之二的原子会辐射光子。然而，这种基本随机性的起源一直是个谜，一直到1927年，保罗·狄拉克（PaulDirac）的量子场理论指出，量子真空波动是这种随机性产生的根源。他说一个根本不包含光子的场可以扰乱受激原子的稳定性，这一观点与我们的直觉相悖。一直到20世纪50年代，兰姆（Lamb）的测量才证明狄拉克的解释是正确的。

这意味着，即便是我们在日常生活中习以为常的现象，例如由电视屏幕上的发光二极管（LED）生成图像，其核心也具有由量子力学产生的这种基本随机特性。与之相对，原子受到外界光的照射从而被迫释放能量辐射光子的过程被称为受激辐射。这种将原子的能量回收到光场中的方式没有随机性。这使得激光的产生成为可能。

相干性：步调一致

当原子和带电粒子各自“随意运动”时，如果数量较多，那么它们辐射出的光就会是一组不协调的波[2]。即使是尺寸小到只有1毫米的发光二极管（LED），里面也有大量的原子，所以这种情况是很常见的。

这种发出不协调光波的辐射有一个特征，就是每个原子都会随机发射光子，与周围的原子在做什么无关。因此，光是向各个不同方向辐射的，且光子会在不同的时刻被发射出来。实际上，辐射过程的随机性表现在原子所产生光强度的随机性上。

假如将一个光子探测器放在灯泡前面，我们可以看到探测器输出的电流非常嘈杂，这是因为照射到探测器上的光的强度变化快速且随机，说明在每个时刻到达探测器的光子数也是随机的。

如何才能使原子步调一致，从而使光波具有相干性呢？我们可以回想一下之前的类比：想象有一些秋千，且每一个秋千的摆动频率都是相同的。这些秋千开始进行随机摆动，那么就会出现以下两种情况：第一种情况是这些秋千的摆动是不同步的，即在任何时刻，各个秋千都会运动到其固定轨迹上的不同位置。第二种情况则是这些秋千的摆动是同步的，即相邻秋千间的轨迹差异是固定的，就好比足球比赛中场上观众按照顺序依次站立和坐下形成的人浪。在第一种情况下，从这些不相干的原子发出的光就像灯泡或者发光二极管发出的光，这种光是不相干的。在第二种情况下，原子们产生一致的振**，它们产生的光以一种相干的形式发出，所有的光子都往同一个方向辐射。这就是受激辐射过程中会产生的情况（见图26c），它是激光器的基础。