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量子力學(xué)原理

為了確定起見，我們用光做實(shí)驗(yàn)。按照通常的命名法，光量子稱為“光子”。光作為粒子(亦即光子)的呈現(xiàn)最清楚地發(fā)生在屏幕上。光以分立的定域性的能量單位到達(dá)那里，這能量按照普郎克公式E=hv恒定地和頻率相關(guān)。從未接收過“半個”(或任何部分，光子的能量雙縫實(shí)驗(yàn)。光接收是以光子單位的完全有或完全沒有的現(xiàn)象。只有整數(shù)個光子才被觀察到。

然而，光子通過縫隙時似乎產(chǎn)生了類波動的行為。先假定只有一條縫是開的(另一條縫被堵住)。光通過該縫后就被散開來，這是被稱作光衍射的波動傳播的一個特征。但是，這些對于粒子的圖像仍是成立的?？梢韵胂罂p隙的邊緣附近的某種影響使光子隨機(jī)地偏折到兩邊去。當(dāng)相當(dāng)強(qiáng)的光也就是大量的光子通過縫隙時，屏幕上的照度顯得非常均勻。但是如果降低光強(qiáng)度，則人們可斷定，其亮度分布的確是由單獨(dú)的斑點(diǎn)組成——和粒子圖像相一致——是單獨(dú)的光子打到屏幕上。亮度光滑的表觀是由于大量的光子參與的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。(為了比較起見，一個60瓦的電燈泡每一秒鐘大約發(fā)射出10^20個光子!)光子在通過狹縫時的確被隨機(jī)地彎折——彎折角不同則概率不同，就這樣地得到了所觀察到的亮度分布。

然而，當(dāng)我們打開另一條縫隙時就出現(xiàn)了粒子圖像的關(guān)鍵問題!假設(shè)光是來自于一個黃色的鈉燈，這樣它基本上具有純粹的非混合的顏色——用技術(shù)上的術(shù)語稱為單色的，也即具有確定的波長或頻率。在粒子圖像中，這表明所有光子具有同樣的能量。此處波長約為5×10-7米。假定縫隙的寬度約為0.001毫米，而且兩縫相距0.15毫米左右，屏幕大概在一米那么遠(yuǎn)。在相當(dāng)強(qiáng)的光源照射下，我們?nèi)匀坏玫搅艘?guī)則的亮度模式。但是現(xiàn)在我們在屏幕中心附近可看到大約三毫米寬的稱為干涉模式的條紋的波動形狀。我們也許會期望第二個縫隙的打開會簡單地把屏幕的光強(qiáng)加倍。如果我們考慮總的照度，這是對的。但是現(xiàn)在強(qiáng)度的模式的細(xì)節(jié)和單縫時完全不同。屏幕上的一些點(diǎn)——也就是模式在該處最亮處——照度為以前的四倍，而不僅僅是二倍。在另外的一些點(diǎn)——也就是模式在該處最暗處——光強(qiáng)為零。強(qiáng)度為零的點(diǎn)給粒子圖像帶來了最大的困惑。這些點(diǎn)是只有一條縫打開時粒子非常樂意來的地方?，F(xiàn)在我們打開了另一條縫，忽然發(fā)現(xiàn)不知怎么搞的光子被防止跑到那里去。我們讓光子通過另一條途徑時，怎么會在實(shí)際上變成它在任何一條途徑都通不過呢·

二、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!

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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