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光量子(現今稱為「光子」,Photon)是量子物理中最具劃時代意義的概念之一。
1905 年,阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)提出光的能量並非連續分佈,而是以離散的能量單位進行吸收與發射。
這一「光量子假說」不僅成功解釋了光電效應,也推翻了長久以來的古典電磁波理論,成為愛因斯坦獲得 1921 年諾貝爾物理學獎的主要原因之一(實際頒授於 1922 年)。
這項思想開啟了量子革命的序幕。
普朗克(Max Planck)的量子假設提供了起點,而愛因斯坦則讓量子成為「自然的核心語言」。
隨後的德布羅意(Louis de Broglie)和薛丁格(Erwin Schrödinger)更進一步將波粒二象性與波動方程引入,奠定了現代量子力學的理論基礎。
量子論的萌芽始於 1900 年的黑體輻射研究。
普朗克在分析實驗數據時,發現要想正確描述不同波長下的輻射強度,必須假設能量只能以最小單位 E=hνE = hνE=hν 進行交換。
這裡的 hhh 是後來以他名字命名的普朗克常數,ννν 為電磁波頻率。
這個簡單卻革命性的假設,打破了能量連續可分的傳統觀念。
普朗克雖然當時認為這只是一種數學上的權宜之計,卻意外揭開了量子化的序幕。
他的黑體輻射定律成功解釋了實驗中出現的「紫外災難」——古典理論在高頻區域預測能量發散無限,而量子模型則完美吻合實際數據。
參考資料:Britannica – Max Planck and Blackbody Radiation、APS Physics – Planck’s Quantum Hypothesis
愛因斯坦在 1905 年的論文《On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light》中,將普朗克的量子思想推向極致。
他主張光在傳播時並非連續波,而是由離散的「光量子」組成,且每個光量子的能量與頻率成正比(E=hνE = hνE=hν)。
這一假說徹底改變了人們對光的理解。
愛因斯坦以光電效應為例指出,當光照射在金屬表面時,電子的動能取決於入射光的頻率,而與光強無關。
這使得他提出了著名的光電方程式:eVs=hν−W
這條方程式預測了光電子的最大動能與頻率的線性關係,後來由密立坎(Robert Millikan)在 1916 年實驗驗證,並測得與普朗克常數一致的結果。
參考資料:Einstein (1905), Annalen der Physik;Stanford Encyclopedia of Philosophy – Einstein’s Philosophy of Physics
光量子理論在最初遭到主流學界的質疑。
直到美國物理學家康普頓(Arthur Compton)於 1923 年進行 X 光散射實驗,觀察到散射後的波長變長——
證實光子不僅具有能量,也具備動量。
這就是著名的「康普頓效應」(Compton Effect),成為光子粒子性的最終實驗證據。
自此,光的雙重性質(波粒二象性)被確立:
光既可以表現為連續的電磁波,也能以離散的粒子形態與物質交互作用。
參考資料:Physics Nobel Lecture – A.H. Compton (1927)、Britannica – Compton Scattering
隨著理論物理的發展,英國物理學家狄拉克(Paul Dirac)在 1927 年將電磁場成功量子化,
將光子視為「量子化後電磁場的激發態」。
這標誌著光量子假說正式納入現代量子場論(Quantum Field Theory)的框架。
此後,光子成為量子光學、量子通訊與半導體物理的基礎。
例如雷射(LASER)技術、太陽能電池與光纖傳輸,都源於愛因斯坦與普朗克的理論基石。
參考資料:Dirac, P.A.M. (1927), Proc. R. Soc. A 114(767):243–265
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從普朗克的黑體輻射,到愛因斯坦的光電效應,再到 QBER 的頻率工程——
這是一條橫跨百年的能量共振之路,
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