2014年化工工程師普通物理知識點輔導27

　　光的波動

　　在光子的情形下，如果我們?nèi)∷牟ㄩL作為其“尺度”的度量，則第二條縫離開第一條縫大約有300倍“光子尺度”那么遠(每一條縫大約有兩個波長寬)，這樣當光子通過一條縫時，它怎么會知道另一條縫是否被打開呢?事實上，對于“對消”或者“加強”現(xiàn)象的發(fā)生，兩條縫之間的距離在原則上沒有受到什么限制。

　　當光通過縫隙時，它似乎像波動而不像粒子那樣行為。這種抵消--對消干涉--是波動的一個眾所周知的性質(zhì)。如來兩條路徑的每一條分別都可讓光通過，而現(xiàn)在兩條同時都開放，則它們完全可能會相互抵消。我解釋了何以致此。如果從一條縫隙來的一部分光和從另一條縫隙來的“同相”(也就是兩個部分波的波峰同時發(fā)生，波谷也同時發(fā)生)，則它們將互相加強。但是如果它們剛好“反相”(也就是一個部分波的波峰重疊到另一部分的波谷上)，則它們將互相抵消。在雙縫實驗中，只要屏幕上到兩縫隙的距離之差為波長的整數(shù)倍的地方，則波峰和波峰則分別在一起發(fā)生，因而是亮的。如果距離差剛好是這些值的中間，則波峰就重疊到波谷上去，該處就是暗的。關(guān)于通常宏觀的經(jīng)典波動同時以這種方式通過兩個縫隙沒有任何困惑之處。波動畢竟只是某種媒質(zhì)(場)或者某種包含有無數(shù)很小點狀粒子的物體的一種“擾動”。擾動可以一部分通過一條縫隙，另一部分通過另一條縫隙。但是這里的情況非常不同;每一個單獨光子自身是完整的波動!在某種意義上講，每個粒子一下通過兩條縫隙并且和自身干涉!人們可將光強降得足夠低使得保證任一時刻不會有多于一個光子通過縫隙的附近。對消干涉現(xiàn)象，因之使得兩個不同途徑的光子互相抵消其實現(xiàn)的可能性，是加在單獨光子之上的某種東西。如果兩個途徑之中只有一個開放，則光子就通過那個途徑。但是如果兩者都開放，則兩種可能性奇跡般地互相抵消，而發(fā)現(xiàn)光子不能通過任一條縫隙!

　　讀者應該深入思考一下，這一個非同尋常事實的重要性。光的確不是有時像粒子有時像波那樣行為。每一個單獨粒子自身完全地以類波動方式行為;一個粒子可得到的不同選擇的可能性有時會完全相互抵消!

　　光子是否在實際上分成了兩半并各自穿過一條縫隙呢?大多數(shù)物理學對這雙縫實驗樣的描述事物的方式持否定態(tài)度。他們堅持說，兩條途徑為粒子開放時，它們都對最后的效應有貢獻。它們只是二中擇一的途徑，不應該認為粒子為了通過縫隙而被分成兩半。我們可以考慮修正一下實驗，把一個粒子探測器放在其中的一條縫隙，用來支持粒子不能分成兩部分再分別通過兩縫隙的觀點。由于用它觀測時，光子或任何其他種類的粒子總是作為單獨整體而不是整體的一部分而出現(xiàn)，我們的探測器不是探測到整個光子，就是根本什么也沒探測到。然而，當把探測器放在其中的一條縫隙處，使得觀察者能說出光子是從哪一條縫隙通過時，屏幕上的波浪狀的干涉花樣就消失了。為了使干涉發(fā)生，顯然必須對粒子“實際上”通過那一條縫隙“缺乏知識”。

　　為了得到干涉，兩個不同選擇都必須有貢獻，有時“相加”――正如人們預料的那樣相互加強到兩倍――有時“相減”――這樣兩者會神秘地相互“抵消”掉。事實上，按照量子力學的規(guī)則，所發(fā)生的事比這些還更神秘!兩種選擇的確可以相加(屏幕上最亮的點)，兩者也的確可以相減(暗點);但它們實際上也會以另外奇怪的組合形式結(jié)合在一起，例如 　　“選擇A”加上i乘以“選擇B”，事實上任何復數(shù)都能在“不同選擇的組合”中起作用!

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