A-level 物理 (高级物理)/量子行为
到目前为止，我们已经确定光以量子形式传播，称为光子，并且这些光子携带与频率成正比的能量。我们还知道光子不是传统意义上的波或粒子。相反，它们是能量包。它们的行为与经典预期不符。
实际上，光子在传播时会走所有可能的路径。如果光子必须从 A 点传播到 B 点，它将走直线 *和* 循环 *和* 经过比邻星 *和* 走所有其他可能的路径。这是光子的所谓“量子态”。它在整个空间中扩展。
但是，仅仅因为光子可能出现在空间中的任何地方并不意味着它出现在任何给定位置的概率相等。我手中的手电筒发出的光子更有可能击中我面前的地面，而不是击中我的后脑勺。但这两种情况都是可能的。光可以拐弯；只是很少见！
可以通过考虑光子到达空间中任何给定点相对于空间中另一个点的路径来计算光子出现在空间中任何给定点的概率。考虑的路径越多，计算的准确性就越高。在执行此操作时，请使用以下步骤
1. 定义光源。
2. 计算光子的频率。
3. 定义光无法穿过的任何物体。
4. 定义您要考虑的第一个点。
5. 定义从源到所考虑点的路径集，越多越好。
6. 计算穿越一条路径所需的时间。
7. 计算这对应于多少个相量旋转。
8. 画一个箭头来表示最终的相量箭头。
9. 对每条路径重复步骤 6-8。
10. 将所有相量箭头首尾相接地加在一起。
11. 将此合相量箭头的幅度平方，以获得该点的光强度。将一个旋转的正方形而不是箭头来想象可能会有所帮助。
12. 对您要考虑的每个点重复步骤 4-11。您考虑的点越多，您的概率分布就越精确。
13. 比较所有合强度，以获得一个 概率分布，该分布描述了光子到达一个点而不是另一个点的概率。例如，如果一个点的光强度是另一个点的光强度的两倍，那么光子到达第一个点的可能性是第二个点的两倍。
14. 如果所有要考虑的点都在一个屏幕上，则强度显示了每个点处光线的相对亮度。
如果我们现在采用这种方法并将其应用于几种情况，我们发现，在许多情况下，结果类似于将光视为波时获得的结果，除了我们现在可以将这种想法与光线的可观察到的“块状”性质协调起来，并且可以承认这样一个事实，即某些光线不会按照某些波规律进行行为的概率是存在的。
这是最简单的示例。如果我们考虑从 A 点到 B 点的一系列路径，并计算路径末端的相量方向，我们得到一个合相量箭头，它给我们一些 B 点的幅度。由于没有障碍物，在远离源的任何点，我们都会得到相同的合幅度。
重要的是要注意，不同的路径对合幅度的贡献量不同。更接近两点之间直线的路径与合角更平行，而更远的路径的方向变化更大，因此倾向于相互抵消。结论：沿直线传播的光线对合幅度的贡献最大。
这里，我们只需要考虑两条路径：一条穿过每个缝隙。然后，我们可以计算两个相量箭头，将它们加在一起以获得一个合相量箭头，并将它的幅度平方以获得两条路径到达点的光强度。当计算这些强度时，它们会给出明暗条纹的图案，就像波理论预测的那样。
这种情况与光线沿“直线”传播时的情况非常相似。唯一的区别是我们考虑了涉及从障碍物上反弹的路径。结果或多或少相同，但获得它们所依据的路径不同。这意味着我们可以对这些不同的路径得出相同的结论：即大部分合幅度来自入射角等于反射角的镜面部分。换句话说，光子很可能会像镜子按照波理论工作那样工作。
不同的路径具有不同的长度，因此光子穿越它们所需的时间也不同（这些称为行程时间）。在右边的图中，光子再次穿越所有可能的路径。但是，行程时间差异最小的路径的相量箭头方向差异最小，因此行程时间最小的路径对合幅度的贡献最大。这条最短路径由斯涅耳定律给出。再一次，量子物理学为已经得到一定程度解释的现象提供了一幅更准确的图景。
当光子被阻止走所有其他路径时，就会发生衍射。当光通过小于 1 个波长宽度的缝隙时，就会发生这种情况。结果是，在幅度本应大致相互抵消的地方，它们没有抵消，因此光线散布到它通常不会散布的方向。这解释了衍射，而不仅仅是能够观察和计算发生的事情。