2013年環(huán)保工程師普通物理知識點(diǎn)27

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　　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(yuǎn)(每一條縫大約有兩個波長寬)，這樣當(dāng)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(shí)上，對于“對消”或者“加強(qiáng)”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(dāng)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(qiáng)。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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(dú)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)的可能性，是加在單獨(dú)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(yīng)該深入思考一下，這一個非同尋常事實(shí)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(dú)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(shí)際上分成了兩半并各自穿過一條縫隙呢?大多數(shù)物理學(xué)對這雙縫實(shí)驗(yàn)樣的描述事物的方式持否定態(tài)度。他們堅(jiān)持說，兩條途徑為粒子開放時，它們都對最后的效應(yīng)有貢獻(xiàn)。它們只是二中擇一的途徑，不應(yīng)該認(rèn)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)。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(dú)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(dāng)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(shí)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(xiàn)，有時“相加”――正如人們預(yù)料的那樣相互加強(qiáng)到兩倍――有時“相減”――這樣兩者會神秘地相互“抵消”掉。事實(shí)上，按照量子力學(xué)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(diǎn))，兩者也的確可以相減(暗點(diǎn));但它們實(shí)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(shí)上任何復(fù)數(shù)都能在“不同選擇的組合”中起作用!

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