光的不對(duì)稱路徑干涉實(shí)驗(yàn)

1、光的不對(duì)稱路徑干涉實(shí)驗(yàn)-關(guān)于光的本性的判決性實(shí)驗(yàn)梅 曉 春內(nèi)容摘要 本文提出一個(gè)光的不對(duì)稱路徑干涉實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于在同一實(shí)驗(yàn)條件下如果將光視為波和粒子會(huì)得出不同的結(jié)果，從而可以在實(shí)驗(yàn)上排除波粒二象性，顯示微觀粒子的波和粒子概念哪一個(gè)是更本質(zhì)的。關(guān)鍵詞 光的干涉，波粒二象性，量子力學(xué)解釋微觀物體的波粒二象性是現(xiàn)代物理學(xué)中最令人感到困惑的現(xiàn)象，至今未能得到合乎邏輯的解釋。目前大多數(shù)人似乎已經(jīng)習(xí)慣于它，承認(rèn)微觀物體具有二象性，即是波又是粒子。然而波彌散于整個(gè)空間，粒子只占有很小的體積，波與粒子這兩種圖象在邏輯上是無(wú)法相容的。為了解釋波粒二象性，波爾提出互補(bǔ)原理，認(rèn)為對(duì)于微觀粒子而言，波和粒

2、子的圖象是互補(bǔ)的。實(shí)驗(yàn)也充分表明在某些條件下微觀物體顯示出波動(dòng)性，在另外一些實(shí)驗(yàn)條件下顯示出粒子性，是波還是粒子取決于不同實(shí)驗(yàn)條件的選擇。由于這兩類實(shí)驗(yàn)條件不能同時(shí)存在，似乎在表面上回避了波粒二象性的矛盾。然而問(wèn)題并沒(méi)有這樣簡(jiǎn)單，波粒二象性涉及到量子力學(xué)解釋的本質(zhì)問(wèn)題，只要認(rèn)為對(duì)微觀粒子而言波和粒子的概念在邏輯上是對(duì)等的，現(xiàn)有量子力學(xué)解釋中存在問(wèn)題可能將永遠(yuǎn)無(wú)法消除。本文提出一個(gè)光的不對(duì)稱路徑干涉實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于在同一實(shí)驗(yàn)條件下如果將光視為波和粒子會(huì)得出不同的結(jié)果，從而可以在實(shí)驗(yàn)上排除波粒二象性，顯示微觀粒子的波和粒子概念哪一個(gè)是更本質(zhì)的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)還可以用來(lái)證明一個(gè)光子同時(shí)從雙縫穿過(guò)

3、進(jìn)行自我干涉是不可能的。 圖1. 光的不對(duì)稱路徑干涉實(shí)驗(yàn)如上圖所示，設(shè)是光源，、和是三個(gè)性能相同的高速光開(kāi)關(guān)（如可用泡克斯盒），它能快速地切斷或接通光路，是分光鏡，、和是反光鏡，是屏。從到和的距離相等且可以任意，例如0.1米。從經(jīng)由和到的光路1的長(zhǎng)度是4米，從經(jīng)和到的光路2的長(zhǎng)度是7米，二者的光程差米。在開(kāi)始時(shí)將三個(gè)光開(kāi)關(guān)都打開(kāi)，使光能連續(xù)地通過(guò)。選擇合適的激光，如氮氖激光做光源，使其相干長(zhǎng)度米。連續(xù)光經(jīng)分光鏡后分成兩路運(yùn)動(dòng)，最后在屏上疊加，形成干涉條紋。然后令光開(kāi)關(guān)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，將連續(xù)光切成光脈沖，光開(kāi)關(guān)和仍處于打開(kāi)狀態(tài)使脈沖光連續(xù)通過(guò)。選擇合適的光開(kāi)關(guān)使其打開(kāi)的時(shí)間間隔為秒，在這段時(shí)間內(nèi)光通過(guò)

4、的距離是米。再選擇光開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間為秒，在這段時(shí)間內(nèi)光通過(guò)的距離是米。這樣就可以使沿路徑2運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)光脈沖完全到達(dá)屏上后，沿路徑1運(yùn)動(dòng)的第二個(gè)光脈沖才開(kāi)始到達(dá)屏上，前后兩個(gè)光脈在屏上就不產(chǎn)生不疊加?，F(xiàn)在來(lái)分析結(jié)果。如果假設(shè)光本性是一種連續(xù)的波，當(dāng)光開(kāi)關(guān)和打開(kāi)時(shí)，光開(kāi)關(guān)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)作用后連續(xù)波變成脈沖波，其波列最大的長(zhǎng)度均不超過(guò)米。故當(dāng)脈沖光波經(jīng)分光鏡作用分成二個(gè)波后，沿光路傳播的光波的尾部到達(dá)屏?xí)r，沿光路傳播的光波的前鋒尚在半路上，兩路光波不能在屏上疊加，無(wú)法形成干涉，在屏上形成的僅是兩列波的衍射條紋的簡(jiǎn)單疊加。這種結(jié)果實(shí)際上是經(jīng)典光學(xué)的一般結(jié)果，似乎沒(méi)有什么值得奇怪。但是如果假設(shè)光

5、的本性是粒子，則光開(kāi)關(guān)僅對(duì)光子起阻擋作用，要么讓光子通過(guò)，要么擋住光子（實(shí)際上是使光子偏離原來(lái)的路徑轉(zhuǎn)移到其他方向）。對(duì)于已經(jīng)通過(guò)光開(kāi)關(guān)的光子，其基本性質(zhì)不被光開(kāi)關(guān)的運(yùn)轉(zhuǎn)所影響，也就是說(shuō)光子的波長(zhǎng)、能量、偏振等所有性質(zhì)都不變。已知光的相干長(zhǎng)度公式為，是光子的能量。對(duì)于已經(jīng)通過(guò)光開(kāi)光的光子，光的單色性（波長(zhǎng)或能量）不變，故和不變，相干長(zhǎng)度也不變。因此如果光開(kāi)關(guān)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光子是相干光，則光開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)后通過(guò)開(kāi)關(guān)的光子仍是相干的，干涉條紋不變。實(shí)際上大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，對(duì)于光的雙縫干涉，只要滿足相干條件，不論光是連續(xù)光還是脈沖光，甚至光子是一粒一粒地發(fā)出（單光子干涉），對(duì)于光的干涉條紋都沒(méi)有影響。也就

6、是說(shuō)如果假設(shè)光的本性是粒子，光開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)后屏上的干涉條紋不變?？梢?jiàn)對(duì)于這種光的不對(duì)稱路徑干涉，我們?cè)诶碚撋蠠o(wú)法判定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光開(kāi)關(guān)作用后原先的干涉條紋是否會(huì)消失只能由實(shí)驗(yàn)來(lái)判定。如果實(shí)驗(yàn)表明光開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)后干涉條紋不變，則光的本性是粒子性的，光的波動(dòng)就是一種表象的行為。如果實(shí)驗(yàn)表明光開(kāi)關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)后干涉條紋消失，則光的本性應(yīng)是連續(xù)波，光的粒子性就變成一種表象的行為。在此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中光和粒子的概念是不對(duì)等的，二者只能取其一，在邏輯上不存在二象性。 我們還可以用以上實(shí)驗(yàn)來(lái)證明一個(gè)光子同時(shí)從雙縫穿過(guò)進(jìn)行自我干涉是不可能的。按目前被普遍接受的看法，每個(gè)光子都可以被看成一列波。經(jīng)過(guò)分光鏡后單光子被分成兩列波，沿兩條路

7、徑運(yùn)動(dòng)，最后兩波在屏上干涉，重新合成為一個(gè)光子，完成單光子的自我干涉。在實(shí)驗(yàn)中我們可以將光束減弱到光子是一粒一粒地從光源發(fā)出，且第一粒光子到達(dá)屏上后再發(fā)出第二粒光子。如果每個(gè)光子都是一列波，自由光子就是自由平面波，其波列長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)。對(duì)于非自由光子，波列長(zhǎng)度有限。上述實(shí)驗(yàn)中的光子非自由光子，由于在三個(gè)光開(kāi)關(guān)都打開(kāi)時(shí)相干光，而相干長(zhǎng)度一般被認(rèn)為就是波列長(zhǎng)度，故可以認(rèn)為波列長(zhǎng)度大于3米。然后讓光開(kāi)關(guān)始終處于打開(kāi)狀態(tài)、和同步運(yùn)轉(zhuǎn)，即二者同時(shí)打開(kāi)同時(shí)關(guān)閉。因此單個(gè)光子的波經(jīng)過(guò)分光鏡被分成兩個(gè)波列后，每個(gè)波列又被切成長(zhǎng)度等于或小于2.7米的短波列。同樣地由于兩條路徑不相等，沿路徑1運(yùn)動(dòng)的短波列與沿路徑2

8、運(yùn)動(dòng)的短波列在屏上不重疊，就無(wú)法重新合成一個(gè)完整的光子。結(jié)果就意味著光開(kāi)關(guān)和同步運(yùn)轉(zhuǎn)后一個(gè)光子將分裂成兩個(gè)或多個(gè)碎片落在屏上，而不是一個(gè)完整的光子。然而這是不可能的，可以肯定的是,不論最后屏上的干涉條紋是否消失，光開(kāi)關(guān)和運(yùn)轉(zhuǎn)后在屏上每次觀察到的仍只能是單個(gè)完整的光子。這結(jié)果說(shuō)明單個(gè)光子不可能同時(shí)被分成兩列波沿兩條路徑運(yùn)動(dòng)，只能沿兩條路徑中的一條到達(dá)屏上，也就等于說(shuō)一個(gè)光子同時(shí)從雙縫穿過(guò)進(jìn)行自我干涉是不可能的。在現(xiàn)有的單光子雙縫干涉問(wèn)題的討論中，由于采用的基本上是等路徑，就不存在這個(gè)問(wèn)題，或?qū)嶋H存在的矛盾被隱藏?？梢?jiàn)目前的單光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是需要重新尋找解釋的，單光子的雙縫自我干涉不是光波通過(guò)兩

9、條路徑運(yùn)動(dòng)后的疊加形成的。實(shí)際上由美國(guó)馬里蘭大學(xué)史硯華等人完成的光的“鬼干涉”實(shí)驗(yàn)顯示，在沒(méi)有光波疊加的地方也會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。干涉條紋被認(rèn)為是由光子間的糾纏相互作用而產(chǎn)生。 這個(gè)現(xiàn)象表明相干波在空間的疊加不是產(chǎn)生光的干涉的必要條件，在合適的環(huán)境和相互作用條件下，光波在空間沒(méi)有疊加時(shí)也會(huì)產(chǎn)生干涉。這與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)是一致的?？梢哉f(shuō)光波的干涉是大量光子與環(huán)境以及粒子間相互作用后的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。當(dāng)環(huán)境與相互作用不同時(shí)（如單縫和雙縫的不同，存在一條路徑和兩條路徑的不同），產(chǎn)生的結(jié)果也就不同（如單縫衍射和雙縫干涉圖象的不同）。在解釋光波的干涉現(xiàn)象時(shí)，如果考慮粒子與環(huán)境的相互作用，我們就不考慮波的疊加

10、。如果考慮波的疊加，我們就不考慮粒子與環(huán)境以及粒子間的相互作用。這兩種圖象在一般的情況下是等價(jià)的，但在一些特殊情況下可能不等價(jià)，如“鬼干涉”和本文的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于光的干涉問(wèn)題，相互作用描述的圖象是更一般、更本質(zhì)的。由以上討論我們就可以預(yù)言，當(dāng)光開(kāi)關(guān)和打開(kāi)光開(kāi)關(guān)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，屏上干涉條紋不變，說(shuō)明光的本性是粒子性的。實(shí)際上眾所周知微觀粒子的波是一種幾率波，不是通常經(jīng)典意義上的連續(xù)分布的物質(zhì)波。應(yīng)該看到在幾率波概念中，微觀粒子的本質(zhì)是粒子性的。只是大量粒子在空間的幾率分布，或?qū)蝹€(gè)粒子長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)平均，才具有波的分布性質(zhì)。對(duì)于單個(gè)粒子的瞬時(shí)行為而言，談?wù)撈洳▌?dòng)性是沒(méi)有意義的。實(shí)際上波是一個(gè)宏觀概念，粒子是一個(gè)微觀概念，二者是不能直接等同的。就如對(duì)單個(gè)宏觀粒子而言，談?wù)撈錅囟群蛪簭?qiáng)沒(méi)有意義，溫度和壓強(qiáng)概念只有對(duì)于由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)才有意義。同樣只有對(duì)由大量微觀粒子組成的系統(tǒng)，以及對(duì)單個(gè)微觀粒子長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)平均，談?wù)撈洳▌?dòng)性才有意義。關(guān)于波粒二象性的本質(zhì)，關(guān)于微觀粒子的波動(dòng)性是屬于單個(gè)粒子還是屬于大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均，以及關(guān)于量子力