光的波动性与电磁辐射的联系

6.不只是电子

如果量子力学必须只与原子和电子的磁性有关，例如用特殊构造的磁铁来揭示，那么它将是一个充分新颖概念的有趣味的理论，而不是基础物理学的一个革新版本，但它出现在每一个地方。这里要讲述的是出现在十分不同的领域里的同一种概率测量的另一个例子。

光，如麦克斯韦在19世纪中叶所有力地证明的那样，是一种波动，并且与各种电磁辐射——无线电波、红外线和紫外线、X光，等等——是同一类东西。光的波动性在上个世纪的各种实验中已经被揭示出来，而麦克斯韦把它们都联系在一起。

光的特征之一就是偏振，如果你想到一根晾衣绳或跳绳上的波动，那偏振可以容易地被想象。一个上下运动的垂直波动是一种偏振；一个来回运动的水平波动是另一种偏振。当你用手迅速环行地摇动绳子的末端而形成一种沿线传播的螺旋波时，你也能得到环行偏振。被极化了的太阳镜阻挡某种偏振而允许其他的偏振通过，从湖面或汽车风挡反射的光变成在一个方向上偏振的光，如果你能用你的太阳镜阻挡它，那么你会滤除大部分从其他光源发出的眩目的反射光。为与晾衣绳类比，你可以把一个垂直的木栏看做一个偏振滤光器；如果晾衣绳在两个木栏的条板之间上下波动（垂直偏振）会很容易通过，但如果左右波动（水平偏振）就不容易了。如果波动在垂直和水平之间取某一角度，会有一部分波通过而在木栏的另一侧严格地上下波动，同时其余的部分被阻挡，并沿原路反弹回来。

偏振光和偏振滤光器同样真实。你可以使用光通过任何一个垂直排布的滤光器这种老办法产生垂直的偏振光；从另一边出现的将严格地是垂直偏振的。这光会穿过另一个垂直偏振滤光器，但它会完全被一个水平排列的滤光器阻挡。一个与垂直面成45°角的偏振器让半垂直偏振的光通过，其余的被阻挡。

很容易，只要光是波动，它的强度就能被分割和细分，如你所希望的那样分下去，所以你能让一个光束通过一系列的偏振滤光器，这里滤掉一点，那里滤掉一点。强度逐步缩小，但那不是问题所在（理论上，无论如何，任何这样的光束，如果你能干扰它，那么它最终会变到暗得看不清楚）。

但是现在让我们进入新的量子力学部分。光确实具有波的特性，但按照量子理论光能以一个小包存在，被称为光子，它不能再细分，一个典型的光束包括无数的光子，个别光子只带有微小能量，对大多数实际目的来说光束是由大量个别的不连续的小块组成这种见识是无关紧要的。(www.xing528.com)

但你会明白，如果我们把光当做由光子组成的，我们便立刻撞到一个概念问题：当一个单个的偏振光的光子遇到滤光器时会发生什么？如果它是一个垂直偏振的光子，并且它遇到一个垂直排布的滤光器，那么就没有问题——光子通过。如果它遇到一个水平排布的滤光器，它会被阻挡或反射——也没有问题。但如果滤光器与垂直面成45°角，那么我们就难了。古典波动理论会认为光能的一半通过，另一半被反射。但是如果按量子理论的原则，光子不能被分成两个，那么整个的小能包不是通过就是被反射回来。它不能同时做这两件事，它也不能被分裂，它必须不是做这个就是做那个了。（见图3）

并且因为，如果你发射了一个整个的光子流通过滤光器，那么必定有一半通过而另一半被反射，它必将是这样一种情况，任何个别的光子有各半的机会通过或被反射。一旦你接受把光看做光子的概念，概率就不可避免。并且正像电子通过一个斯特恩—革拉赫磁铁一样，如果你能对个别的光子有更多的认识，对它获得更精确的答案并不困难。你不可能知道单个光子下一时刻的行为。那么你一旦懂得了偏振，你就会知道，这个特殊的实验是关涉每个物质性事件的，然则你不得不容忍一个机会各半的结果作为将会发生的事件的最好的陈述。

图3　古典意义上，具有某种偏振的连续波被分裂成两个波，一个垂直的偏振波通过栅缝，另一个水平的偏振波被反弹。而量子力学意义上，这光子不能被分裂，并且它的行为不能个别地被预言，每个光子必须以适当的概率不是通过偏振器就是反弹。

事实上，有一个领会概率何以进入事物的简单方法。请思考一下光从镜面的反射。没有哪个镜子是完美的，但一个精致的好镜面能反射到达其上的光的95%。但这里有同样的问题：如果有许多光子射到镜面上，我们可以认为它们的95%被反射，同时其余的5%被损失（或许正在穿过反射表面，或被它吸收）。但是对于任何一个撞到镜面上的单个的光子，我们能有的最好的说法是，它有95%的机会被反射，有5%的机会被损失。再说一次，只要我们把光看做光子，概率就无法避免，甚至像家用镜子反射那样熟悉的事件也是如此。

噢，但我们不要忘记，究竟谁说过为什么光一定是由光子组成的？如果我们忘记光子并且把光看做波，这些问题就不会出现。为什么我们必须有光子？