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  • 1 # 使用者3203412368059

    題主貌似對雙縫干涉實驗有一絲誤區。

    首先我們再來看下實驗:

    將一個光源放置在一個有兩條縫隙的紙前,在這張紙的後面再放一張紙,這時這張紙會顯示黑白(亮暗)交替的圖案。

    注意我們看到的是圖案,是紙反射的光進入眼睛,所以和點光源沒有關係。事實上,一般實驗用平行光源來做。

    第二,這個實驗中是利用光的波的性質來解釋。事實上,當初這正是波動說用來對付微粒說的利器,所以題主說當成粒子來看應用在這個實驗上,肯定解釋不了會有bug。

    第三,來看看這個實驗的解釋。

    是當光透過兩個夾縫後,兩個光波會互相干涉。如下圖。

    而互相干涉的波根據波的疊加定理會有兩種可能:第一種可能是下圖圖(a)所示,是當兩個相同的波,波峰和波峰相對,波谷和波谷相對,這時候波的疊加會導致波的頻率和波長不變,振幅翻倍,這是容易理解的。而第二種可能是下圖(b)所示,當波的波峰和另外一個波的波谷相對,波的波谷與另外一個波的波峰相對,當他們疊加時,波會變成一條直線,也就是沒有波。

    而上圖圖2我們所看到的是波前圖,而下圖圖3顯示了惠更斯引入的(橫波)波前和波的關係。我們可以發現,由於波的前進,兩個波的疊加會在圖3的(a)和(b)情況下交替發生。

    我們可以看圖1的(b),白色處是波峰,藍色處是波谷,我們可以看出上面一個波的波峰和下面一個波的波峰和波谷都有干涉。大家可以在腦子裡想象一下,這可能有些抽象,但仔細想想,再看看圖2和圖5,就容易理解多了。

    因為前面解釋了,當兩個波干涉並且波峰和波谷相對時,波會被抵消,沒有波了。因此當兩個光波干涉時會有明暗交替的現象,暗處是抵消的波,明處是兩個波峰和波峰相對的波,也就是兩倍振幅的疊加波。

    下圖圖4(不要在黑暗處看警告),綠色處就是被抵消的波,而兩個波中間疊加處有顏色的藍色黃色處就是成功疊加雙倍振幅的波。

    至此,光波完全解釋了這個實驗。至於你說光不是粒子嘛,我們知道光有波粒二象性,而光子主要和光的能量掛鉤,光的干涉基本上和光波掛鉤。

    更新。

    題主問關於單個光子的雙縫干涉實驗。這就涉及到一部分量子力學。

    我們知道單個光子的雙縫干涉現象是:當我們不觀測時,產生干涉;當我們觀測時,不產生干涉。這個問題其實也在生活大爆炸中被Sheldon提到。

    未被觀測時

    我們可以利用量子疊加態來解釋這個問題。當未被觀測時,單個光子可以同時透過兩個夾縫,光子利用波的形式透過這兩個夾縫。

    由於能量只有一份(光子的一份),並且不能再細分,所以光子本身只能有一個,並不能分開,那麼當他以波的形式穿過夾縫,它的能量怎麼辦呢?量子理論稱,光子只是同時處於兩個位置,就像這個光子的影分身。、同時處於兩個位置正是量子疊加態的一種。而能量較難解釋,我們只能知道兩個影分身合起來是一份能量,而每個影分身的能量無法測量。(就像電子雲一樣,我們知道帶一個電子的能量,具體影分身的能量無法判斷)

    而由於處在量子疊加態,光子的兩個影分身在波的形式就和自己干涉了,產生了干涉的結果。

    觀測時

    觀測時就比較簡單。當我們一旦觀測這個光子,這個光子的量子疊加態就會坍塌。就像光子的影分身被收回了,光子只存在於一個地方。而具體透過並存在於哪一條夾縫後,是機率決定的,就像上帝在擲骰子。

    既然光子只存在於一個地方,也就這有一束光波,無法干涉,因此沒有干涉現象。

    圖案(可以進行進一步確認)

    但是我們想看干涉圖案的話,需要有幕布或紙上的光波反射進入攝像機或眼睛。單個光子是無法做到的,因為光波能量太少,基本上沒什麼反射。但如果重複實驗多次,光子的干涉圖案(光波的反射)會疊加起來,從而可以清楚的進入照相機或者眼睛。

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