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光子的波/双缝实验

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双缝实验 尤其适合展示光子的波动性,因为波在两个狭缝中分裂成两束波,在比较这两束波时引入时间(因此引入相位)差异。

A diagram showing the double slit experiment.

如果光通过单个狭缝(1),它会发生衍射,在探测器上形成一个宽阔的“波”。使用第二个狭缝(2),将有两条独立的波,它们在探测器处叠加。在探测器中心以外的地方,这两条波的路径长度不同,导致相位差。两条波的叠加将显示干涉图样。对于单个光子,效果也是一样的:随着时间的推移,用单个光子构建出相同的波。因此,波显示的是光子在探测器该位置被吸收的概率,根据上面的量子力学公式。

公式:在探测器处,两条波叠加为:I = sin(ωt-φ/2) + sin(ωt+φ/2),其中φ是两条波之间的相位差。那么概率P = 0.5(1+cosφ)

维基百科中的另一种经典公式:

能量

如果测量单个光子,探测器将显示特定的能量。如果缩小一个狭缝,干涉图样会改变,但测量的能量不会改变。结论

  1. 波的量会影响吸收概率图样。
  2. 波的量不会影响能量。因此,波在其体积内不包含能量(尽管其频率是能量的量度)。

空间相干性

在(2)中,通过两个狭缝的波在B处完全抵消,因此在两个狭缝中大小相等。然而,粒子必须通过其中一个狭缝。这是由量子定义(不可分割的粒子)决定的,并且从未测量到粒子分裂成两个粒子。如果在狭缝之后放置探测器,它们总是测量到一个粒子在其中一个狭缝或另一个狭缝中,而波在每个狭缝处的幅度都相同。结论

  1. 波在光子的空间距离处具有相同的幅度。

相干长度

在(2)中,干涉可以向左和向右扩展多个周期。假设在C中,相位差为10个周期。如果粒子通过狭缝1,它的波将与从狭缝1出来的晚10个周期的波发生干涉。但如果粒子通过狭缝2,它的波将与从狭缝1出来的早10个周期的波发生干涉。

  1. 在传播方向(和时间)上,幅度大致相同,与干涉图样显示的粒子之前和之后相同数量的波长。这是波的相干长度。
  1. 根据费曼,对于点源,波幅度随1/r2下降,其中r是到源的距离。

波载体

对于单个狭缝(1),波会发生衍射,根据惠更斯-菲涅耳原理。然而,该原理是针对具有载体的波计算的。是载体的每个点辐射的球形波的干涉导致了衍射图样。这不是由粒子引起的,因为衍射行为取决于波长,在双缝中,只通过波的狭缝与通过粒子+波的狭缝产生相同的衍射。结论

  1. 波的行为就像一个具有载体的波(这肯定不是经典的载体,就像过去的以太)。

点源

华夏公益教科书