
能级是时间快慢的可视化表达。
按照国际单位制的规范定义,秒以铯133的超精细能级间的跃迁频率来定义。换言之,能级差与时间是简单的倒数关系,可以相互定义。
就跟温度T,它的倒数beta有时候也直接简称为温度一样,将能级差简称为时间也不是不可以。
(以上都假定普朗克常数和玻尔兹曼常数为1)
用能级表达时间的好处在于可测。拿一束光或者其它激发信号打进去,就能在频谱上得到一些峰,这些峰就是用来看时间的。它比看日晷、看单摆、看表盘可靠多了。当然,这些计时工具的本质是相同的,都利用了具有固定频率的周期运动,本质上都是从频率域去看时间域。
一根琴弦具有固定的简正频率,这个是自古以来人类就知道的现象,然而直到今天,弦论仍然是人类科学最顶级的奥秘。究其原因,还是因为时间是最特殊的物理量。
从牛顿力学开始,我们研究任何问题,首先是要确定一组能够连续变化的参数,也就是自变量。时间是最先验的、不加怀疑的自变量。你可以静止可以运动,但时间才不管你这些,它永远无差别地在动,并且没有倾向性。
简单来说,物理不会为2月6日的12点,2月7日的6点,这些不同时间点赋予额外的物理意义,它们是完全平权的。你能感知到这两个时间点的差异,只能通过时间的某个函数,比如太阳和月亮的运转在不同时间点来到不同位置,这个位置被你感知到了。
于是,现代物理开始尝试用时间的函数,也就是空间坐标和速度作为第一性参数来取代时间,并假定它们和时间一样,也都是平权的。然而面临的第一个难题就是,坐标和速度可没有时间那么人畜无害,那个叫做能量的函数,会导致自然对它们的选择有倾向性。
那为什么还要让中间商赚差价呢?既然用来表达时间的坐标和速度要由能量的选择来控制,那何不直接让能量来表达时间?玻尔兹曼引入等能面来表达微观状态时,他的想法真的很单纯。
后来,海森堡在研究光谱跃迁时,意识到了玻尔的轨道主量子数本质上就是个简正频率的问题,结合当时已经知道的德布罗意波,频率和能量是一回事,本征能级的概念应运而生。
至于为什么是“级(level)”,为什么能量要像台阶一样,一级一级的?这是沿用了玻尔的唯象模型,也就是主量子数要从低到高排。玻尔其实也没讲清楚为什么。包括费米狄拉克分布和构筑原理,也没讲清楚为什么。
讲真,这个问题很多专业研究者都搞错。在在量子力学的层面,高能级和低能级就是平权的,没有任何差别。就跟上面说的时间平权一样,自然并不倾向于从高跳到低。
那些认为高能跳到低能是自发行为的,是受了热力学要选最低自由能的影响。尤其是光电转换过程,由于自由光子弥散出去的熵更大,所以在电子+光子的总能量一样的情况下,电子处在基态、光散开的状态是更为优先的选择。
但如果不考虑光的弥散,激发态也是稳定态,事实上很多实际体系都可以长时间处在所谓的激发态上。
类似的情况,光子也可换作声子,电子从高能级热弛豫也是基于自由声子熵更大的因素。将原子彻底固定住不动,没有声子了,电子待在几十的主量子数上面也是稳定的,这就是里德堡原子。
