为什么会自发辐射?

作者: 刘伟涛, 吴蜀明

来源: 中国科学院理论物理研究所

发布日期: 2023-09-16 11:48:06

这篇文章讨论了一个长期存在的问题——为什么一个被激发的原子可以产生辐射?通过将辐射反应和辐射场的零点涨落联系起来,作者提供了一个令人满意的图像,并强调了涨落-耗散定理的关系。文章还回顾了自发辐射的历史和相关理论的发展。

自发辐射是一个长期存在的问题,为什么一个被激发的原子可以产生辐射?当我们把辐射反应和辐射场的零点涨落联系起来,我们得到了一个令人满意的图像。我们强调,涨落-耗散定理联系了这两个效应。

在常温下,我们经常可以看到自发辐射,却难以观察到自发吸收,这是为什么呢?米隆尼的这篇文章,从半经典的角度解释了自发辐射的机制,或许可以给我们一些启示。

费曼教授曾经讲过这样一个故事:你可能会猜测这个问题从何而来,事实上它出自我的父亲。在我去过麻省理工、去过普林斯顿之后,我回到了家里,我的父亲说:“你现在接受了科学教育。而我一直想了解一些我理解不了的问题。所以,儿子,我希望你能给我解释。”我说:“好的。”他说:“我理解他们所说的光是从原子里面发射出来的,这时原子从一个激发态跃迁到了一个低能态。”我说:“是这样的。”

“而光是一种粒子,我想他们把它称作光子。”我说:“是的。”

“所以如果光子是激发态的原子到低能态时发射出来的,那光子就必然在激发态的原子里。”我说:“不。”

“那么,你怎么看这个问题,一个光子跑了出来,但这个光子却不在原先的激发态里?”我思考了几分钟,然后说:“我很抱歉,我不知道。我没办法给你解释。”他很失望,在那么多年中,他都尝试教给我一些东西,但结果却是很失败。直到今天,为什么一个原子会辐射,或者一个原子怎样辐射,这个问题都会引起大多数物理学家相似的回答。

在这篇文章中,我将尽我所能地用最简单的方式阐释最近的发展。为了更好地了解这个问题的来龙去脉,我将在第二节强调不同辐射现象的关联性,而在第三节来讲一些相关的历史。我用第四节和第五节来讲两个可能的自发辐射的诠释,而在第六节,我在某种程度上把它们结合成一种诠释。在第七节我会以一些细节的讨论来结束这篇文章。

我们身边绝大多数光,都来源于自发辐射。可以说,没有自发辐射,我们人类就不能生存。我们考虑一个辐射热源。这样一个热源中,一个原子同时存在自发和受激两种辐射方式。这两种辐射的速率分别为自发辐射和受激辐射的爱因斯坦系数,而普朗克能谱密度。

自发辐射其实是非常普遍的,以至于我们用了很多名词来指代这样一件相同的事情。如果一个原子(也可以是分子)不是被热激发的,而是由其他方式激发的,自发辐射又被称为发光。

萤火虫就是发光的。而对于发光,又有不同的名称,这具体地取决于这些激发态是怎样产生的(比如电发光、化学发光等)。如果激发是因为吸收了辐射,那么自发辐射又被称作荧光。有时,一些分子会处在亚稳态,这样在辐射场关闭后,这些分子仍然可以产生自发辐射。这种现象,人们称作磷光。在黑暗中,一些雕像会神奇地发光,这就是磷光。当然,激光的产生是因为受激辐射。

然而,当激光器打开时,产生激发效应的光子实际上也是来源于自发辐射。

1887年,赫兹的实验证实了振荡的电荷是会辐射的。在洛伦兹的光和物质的理论中,原子的辐射被归咎于原子中电子的振荡。但这并不能让我们理解为什么它们的辐射总有一些特定的频率。原子的吸收和发射频率被生硬地塞进了一个包含了“弹簧系数”的电子结合理论。但这一切在1913年被玻尔提出氢原子理论所改变。

玻尔认为自发发射是非经典的,而“自发”意味着非因果性。即我们不能准确地预知一个被激发的原子什么时候会完成一个量子跃迁,然后发射一个光子。爱因斯坦在1917年进一步揭示了自发辐射的非经典性质。爱因斯坦工作中的特别之处在于他推测在自发辐射中,原子必然会有一个反冲。这个反冲在经典理论中不能得到解释,因为在经典理论中,一个原子辐射出的场不会有一个线性的动量。

根据爱因斯坦的观点,“放出的辐射不会出现球面波”,如果原子辐射出球面波,那么它就不会有反冲。利用热力学的论点,爱因斯坦推导了自发辐射和受激辐射的系数比值。

第一个从第一性原理的角度推导系数的人是狄拉克,他使用了一套新的量子辐射理论。而在经典的电磁学中,没有人能够建立一套令人满意的自发辐射理论。要解释从萤火虫发光到激光器启动的这一系列的问题,需要量子电动力学。

量子电动力学又对自发辐射现象提供了一个怎样的物理图像呢?在大量相关的文献中,可以找到两种答案。较早的答案将自发辐射和经典理论中被熟知的辐射反应联系起来。狄拉克曾在文章中写道:“既然现有的理论给出了自发辐射的解释,那么它也能够给出辐射体系的辐射反应。”这样的解释,根据同一年朗道发表的一篇文章和更早一些的范弗里克发表的使用到对应原理的文章,也是无可指摘的。

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