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04 光的波粒二象性 Duality(第6页)

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认同这一事实的另一个结果就是,“什么也没有”

实际上并不代表什么都不存在。

换句话说,即使在一个完全没有物质(例如电子、原子)甚至光(光子)存在的空间里,仍然具有可测量的特性。

这个空白的区域被称为“电磁量子真空”

,是一种所有可提取的能量都被尽数去除的宇宙状态。

与很多人的想象不同,它其实是一个容纳着很多活动的“大熔炉”

,由波动的场组成却不包含任何光子。

令人惊讶的是,量子真空中能够产生可以被观察到的现象。

这不禁让我们发问,怎么能从“什么也没有”

中产生出我们可以观测到的现象呢?

我们已经知道了,光可以被认为是电磁场的波动。

请将这种波动所产生的场想象成海面上的涟漪。

这些波动可以连续冲击海面上的任何船只,但是并不会将船上下移动或者将船推到某一条明确的波浪上。

总的来说,船在这样的波动下并不会发生移动,仅仅是来回摇摆而已。

现在将带电粒子(如电子)放在同样的想象场景中,这个带电粒子可以“感知”

到电磁真空中的随机变化,并受到这些变化的连续冲击,就像海面上的涟漪一样。

如果电子在原子中被束缚,那么这种冲击就是电子在其可能占据的量子态之间的能量的转变。

由于原子吸收光子的频率取决于电子量子态间的能极差,因此,通过观察原子可能吸收的光的颜色变化,就可以知道电子在不同量子态间的能极差。

这种变化微不足道,不到光的波长的十亿分之一。

尽管非常微小,但是利用精确的频率测量技术,还是可以确定这种变化。

20世纪50年代在纽约工作的威利斯·兰姆(WillisLamb)是完成这一观测的第一人,并因此获得诺贝尔奖,他观测到的这种频率改变被称为“兰姆移位”

对光双重身份的理解有许多层面。

即使在前量子世界,光到底是波还是粒子的二元对立问题也需要解决。

当时,通过了解光所体现的波动性质,以及与光相互作用的物体尺寸和性质,这一对立得到了解释。

事实上,当物体的尺寸远大于光的波长且不具有锐利边缘时,物体的运动都可以解释成粒子沿着明确定义的路径做运动。

而量子力学则提供了一种解释这种二元性的新观点。

当光与物质相互作用时,光被视为一个或多或少带有能量的粒子,与此同时,它还保留了可以同时展现波动现象的能力。

这个解决二元对立的方案引入了一个全新的概念:量子场。

光粒子,即光子,是由量子场所激发,并且根据麦克斯韦量子版的光波方程进行传播。

量子场现在被认为是构成宇宙的基本实体,支撑着所有类型的物质和非物质,其中光可能是量子场最简单的一个例子。

对此唯一的解释是,世界上的事物既不是粒子也不是波,而是兼而有之。

这就是真实世界的本质。

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