光速作為宇宙中最快的速度，被廣泛認為是物體運動的極限。光速約為每秒30萬公裏，這一數碼已深深刻在我們的認知中。但一個有趣且耐人尋味的問題是：光子從誕生之初就以光速運動，還是經歷了從0到30萬公裏每秒的加速過程？要探討這個問題，我們需要深入了解量子力學的起始概念，因為可以說，量子力學的建立就是從這個問題開始的。本期內容我們就來聊聊這個話題。
光速是指光在真空中傳播的速度。自從17世紀奧拉夫·羅默首次估算出光速以來，科學家們透過各種實驗和理論不斷精確測量這一常數。最終在1983年，國際計量大會確定光速的精確值為299,792,458米每秒。 在經典物理學的框架下，物體的運動規律由牛頓運動定律所描述。牛頓第一定律，也稱慣性定律，指出一個物體在沒有外力作用時將保持靜止或勻速直線運動狀態。要使物體從靜止狀態達到某一速度，必須施加外力，這一過程稱為加速。加速的大小取決於物體的質素和所受的力，表現為牛頓第二定律F=ma，其中F是力，m是質素，a是加速度。例如，當一輛汽車從靜止開始加速，發動機提供的力使汽車逐漸增加速度。這個過程中，汽車的速度從0逐漸增加到所需速度。這種加速過程是經典物理學中任何有質素物體運動的基本特征。與經典物理學中有質素的物體不同，光子具有獨特的運動特性。光子沒有靜止質素，因此不需要透過加速過程來達到光速。
光子從誕生之初即以光速傳播，這一現象在經典物理學框架下是難以解釋的。要理解光子的這種特殊運動特性，我們需要引入量子力學的概念。 量子力學不僅僅是一門研究微觀粒子行為的科學，更是20世紀物理學的重大革命之一。它的誕生源於對經典物理學無法解釋的一系列現象的深入研究，並最終帶領我們走進了一個奇妙的微觀世界。19世紀末，經典物理學在解釋宏觀世界的現象方面取得了巨大成功。然而，當科學家們嘗試用經典物理學解釋原子和亞原子尺度上的現象時，卻遇到了巨大的挑戰。例如，經典電磁理論無法解釋黑體輻射的問題， 黑體輻射是指理想黑體在不同溫度下發射的電磁輻射。當時的經典理論預測了所謂的「紫外災難」，即在高頻區域，黑體輻射的能量發散到無窮大。這顯然與實驗觀察不符。1900年，馬克斯·普朗克提出能量量子化的概念，假設能量以不連續的量子形式發射或吸收，這一假設成功解釋了黑體輻射現象，開創了量子論的先河。
1905年，艾拔·愛因斯坦在研究光電效應時進一步發展了量子理論。光電效應是指當光照射到金屬表面時，會釋放出電子。經典波動理論無法解釋為何光強度不足的光，即使照射時間再長，也不能釋放電子。而愛因斯坦提出，光是由一個個稱為光子的粒子組成的，每個光子的能量與光的頻率成正比。當光子的能量大於金屬的逸出功時，光子將能量傳遞給電子，使其從金屬表面釋放出來。愛因斯坦的光量子假說不僅解釋了光電效應，還為量子力學的發展奠定了基礎。1921年，愛因斯坦因這一貢獻獲得諾貝爾物理學獎，進一步確立了量子理論的重要地位。1913年，尼爾斯·玻爾在研究氫原子的光譜時提出了玻爾模型，這一模型結合了量子假說和經典物理學的元素，成功解釋了氫原子的離散光譜。
玻爾假設，電子在繞原子核旋轉時只能處於某些特定的軌域上，這些軌域對應著離散的能量水平。電子在軌域間躍遷時，吸收或發射光子的能量等於兩個能階之間的能量差。玻爾模型雖然成功解釋了氫原子的光譜，但在更復雜的原子結構上顯得力不從心。盡管如此，玻爾模型標誌著量子理論在解釋原子結構方面的重大進展，並為後來的量子力學發展鋪平了道路。20世紀20年代，量子力學的數學基礎逐漸建立起來。1925年，維爾納·海森堡提出矩陣力學，使用矩陣表示物理量和系統狀態。幾乎同時，埃爾溫·薛定諤提出波動力學，使用波動方程式描述量子系統的行為。薛定諤方程式成為量子力學的核心方程式，描述了微觀粒子的波函數和能量狀態。海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學雖然在形式上不同，但卻是等價的，兩者共同構成了量子力學的數學基礎。
量子力學的誕生徹底改變了物理學的面貌，為理解微觀世界提供了全新的工具和視角。量子力學的建立奠定了幾項基本原則，這些原則與經典物理學截然不同。首先是量子態的疊加原理，指出粒子可以同時處於多個狀態的疊加中，只有在測量時才會「塌縮」到某一個確定狀態。其次是測不準原理，由海森堡提出，指出某些對偶變量（如位置和動量）不能同時被精確測量。測量一個變量的精度越高，另一個變量的測量精度就越低。此外，量子力學還引入了概率波的概念，即粒子的行為透過概率波函數來描述，波函數的平方表示粒子在某一位置出現的概率。這些原則不僅在理論上具有深遠意義，也在實驗中得到了廣泛驗證。 那麽，光子從誕生之時是如何運動的呢？在量子力學中，光子作為無質素的粒子，從誕生起就以光速運動。這一觀點與經典物理的思維有所不同，但卻得到了實驗的支持。
量子場論描述了光子的產生過程。根據量子場論，光子是透過電磁場的量子化產生的。一旦光子誕生，它就立即以光速運動，沒有加速過程。這是因為光子是無質素的粒子，受到量子力學和相對論的共同約束。從經典物理到量子力學的過渡，不僅是物理學理論的進步，更是思維方式的轉變。經典物理學強調連續性和確定性，而量子力學則強調不確定性和概率性。量子力學揭示了一個奇妙而深奧的微觀世界。在這個世界中，粒子的運動遵循著不同於經典物理的規則。理解光子的運動，不僅需要我們更新對物理世界的認知，更需要我們接受量子力學帶來的思維挑戰。光子的運動不僅是科學上的一個有趣現象，更是我們理解宇宙奧秘的一把鑰匙。透過研究光子，我們不僅可以揭示光的本質，還可以深入探索量子力學的奇妙世界。 對此，你們怎麽認為呢？歡迎大家踴躍討論，感謝大家觀看，我是探索宇宙，我們下期再見。
