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環(huán)保工程師

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環(huán)保工程師基礎知識輔導:光的波動(dòng)

2014-12-03 18:01 來(lái)源:建設工程教育網(wǎng)整理 打印 | 收藏 |
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  在光子的情形下,如果我們取它的波長(cháng)作為其“尺度”的度量,則第二條縫離開(kāi)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(gè)波長(cháng)寬),這樣當光子通過(guò)一條縫時(shí),它怎么會(huì )知道另一條縫是否被打開(kāi)呢?事實(shí)上,對于“對消”或者“加強”現象的發(fā)生,兩條縫之間的距離在原則上沒(méi)有受到什么限制。

  當光通過(guò)縫隙時(shí),它似乎像波動(dòng)而不像粒子那樣行為。這種抵消——對消干涉——是波動(dòng)的一個(gè)眾所周知的性質(zhì)。如來(lái)兩條路徑的每一條分別都可讓光通過(guò),而現在兩條同時(shí)都開(kāi)放,則它們完全可能會(huì )相互抵消。我解釋了何以致此。如果從一條縫隙來(lái)的一部分光和從另一條縫隙來(lái)的“同相”(也就是兩個(gè)部分波的波峰同時(shí)發(fā)生,波谷也同時(shí)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(gè)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)驗中,只要屏幕上到兩縫隙的距離之差為波長(cháng)的整數倍的地方,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(guān)的經(jīng)典波動(dòng)同時(shí)以這種方式通過(guò)兩個(gè)縫隙沒(méi)有任何困惑之處。波動(dòng)畢竟只是某種媒質(zhì)(場(chǎng))或者某種包含有無(wú)數很小點(diǎn)狀粒子的物體的一種“擾動(dòng)”。擾動(dòng)可以一部分通過(guò)一條縫隙,另一部分通過(guò)另一條縫隙。但是這里的情況非常不同;每一個(gè)單獨光子自身是完整的波動(dòng)!在某種意義上講,每個(gè)粒子一下通過(guò)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(shí)刻不會(huì )有多于一個(gè)光子通過(guò)縫隙的附近。對消干涉現象,因之使得兩個(gè)不同途徑的光子互相抵消其實(shí)現的可能性,是加在單獨光子之上的某種東西。如果兩個(gè)途徑之中只有一個(gè)開(kāi)放,則光子就通過(guò)那個(gè)途徑。但是如果兩者都開(kāi)放,則兩種可能性奇跡般地互相抵消,而發(fā)現光子不能通過(guò)任一條縫隙!

  讀者應該深入思考一下,這一個(gè)非同尋常事實(shí)的重要性。光的確不是有時(shí)像粒子有時(shí)像波那樣行為。每一個(gè)單獨粒子自身完全地以類(lèi)波動(dòng)方式行為;一個(gè)粒子可得到的不同選擇的可能性有時(shí)會(huì )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(guò)一條縫隙呢?大多數物理學(xué)對這雙縫實(shí)驗樣的描述事物的方式持否定態(tài)度。他們堅持說(shuō),兩條途徑為粒子開(kāi)放時(shí),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(guò)縫隙而被分成兩半。我們可以考慮修正一下實(shí)驗,把一個(gè)粒子探測器放在其中的一條縫隙,用來(lái)支持粒子不能分成兩部分再分別通過(guò)兩縫隙的觀(guān)點(diǎn)。由于用它觀(guān)測時(shí),光子或任何其他種類(lèi)的粒子總是作為單獨整體而不是整體的一部分而出現,我們的探測器不是探測到整個(gè)光子,就是根本什么也沒(méi)探測到。然而,當把探測器放在其中的一條縫隙處,使得觀(guān)察者能說(shuō)出光子是從哪一條縫隙通過(guò)時(shí),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(guò)那一條縫隙“缺乏知識”。

  為了得到干涉,兩個(gè)不同選擇都必須有貢獻,有時(shí)“相加”——正如人們預料的那樣相互加強到兩倍——有時(shí)“相減”——這樣兩者會(huì )神秘地相互“抵消”掉。事實(shí)上,按照量子力學(xué)的規則,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(huì )以另外奇怪的組合形式結合在一起,例如“選擇A”加上i乘以“選擇B”,事實(shí)上任何復數都能在“不同選擇的組合”中起作用!

責任編輯:cj
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