光是波还是粒子？解析量子力学

9.是粒子还是波？

量子力学到来之前很久，当伊萨克·牛顿和他的同辈及其后继者们建立现代物理学的基础时，就有一个关于光的本性的争论。在他们当中，牛顿偏爱“微粒”思想——举一个例子说，光的直线传播这一简单的事实即引来对小抛射流运动的注意。这些抛射物究竟是什么，既不是牛顿也不是其他什么人所能猜到的。

但另外一些证据支持光是波动。有一个支持这个观点的基本实验。

在1801年，英国物理学家托马斯·扬把来自单色光源的单波长的光投向一个具有两个窄裂缝的屏幕。光穿过这两个裂缝，当然，在距第一个带缝的屏幕不很远的地方扬放置了另一个屏幕，以使他能看到出现在其上的光之图样。

如果光是“微粒”（粒子、弹子、无论是什么），那么这些微粒可以穿过两个缝的每一个，继续沿着直线投射到第二个屏幕，并且产生两个亮斑。扬所发现的不是这样。

如果光是波动会发生什么？光穿过窄缝会在屏幕的另一方展开，不恰在一条直线中继续，而是向两边扩张，就像海浪穿过港口墙上的裂缝进入海港。在屏幕的远方，来自两条缝的扩展的光之波动将合并在一起，因而你会在第二个屏幕上看到从双缝来的波的一个组合。

重要之点在于，光具有相同的波长，并且它最初都来自同一个光源。这意味着每一个地方的光都是相干的：从双缝出来的波一致地行进着，以同样的节拍上下运动。如果扬在每条线后面装置一个独立的光源，那么从两条缝出来的波动之间就不会协调。（见图4）

图4　通过双缝的波被分裂成两个独立但相关的波列，它们相干而产生一个条纹图样。穿过双缝的子弹独立地以直线前进。量子力学意义上，连续的古典波分裂成类弹光子，类波干涉仍然出现。

现在看在第二个屏幕的中间，斑点处与两个裂缝精确地等距。因为来自两缝的光波是相干的，并且因为它们到达这个点必须经过同样的距离，所以它们一起到达：这些光波就像一个样地上下跳动，从而你看到一个亮斑。

现在请你盯住一个地方，一个斑点，从这里到一条缝的距离比到另一条缝的距离正好大半个光波长。由于距离不同，当来自一条缝的光波以波峰到达这点，而来自另一条缝的光波以波谷到达这里。来自两条缝的光是异向的，如物理学家们所要说的，波彼此互相抵消，因而在这一点上是黑暗的。

让我们再看另一个地方的一个点，到两条缝的距离差是一个完整的光波长。在这里，波动将同相地到达，从而屏幕将是明亮的。(www.xing528.com)

如果光是一个波，那么在扬的实验中那个较远的屏幕上会出现一个明暗条纹交替向两边伸展的图案，明处是两个波同相叠加在一起，暗处是它彼此异向抵消。值得注意的是，中间会有一个亮斑，而在光的微粒图像中这里应是黑暗的。

这结果被称做干涉图样，理由是简单的，它起因于一个波动与另一个波动的干涉，并且它正是扬在1801年所看到的。因而，光是由波组成的，而不是由粒子组成的。

（在这个实验中产生的图样的那些细节是值得注意的，如果光是由微粒或粒子组成的，那么无论如何，观察两束光相互作用而产生黑暗是困难的。粒子要么出现要么不出现，两个光粒子同时到达同一地点将总是叠加在一起使它们自己作为更多的光出现。光粒子怎样互相抵消呢？）

但是现在，我们正在被带进20世纪，我们还必须与光“粒子”——光子的观念苦斗。只是我们不能完全把光子看做子弹，牛顿或许按这种方式想象过，因为光子也被灌注了某种波动性。它们有波长和频率。虽然马克斯·普朗克发明了能解释不同颜色的辐射——从红到黄再到蓝——光子是如何从一个发热体出来的，但他的解释也必须包含这样一个很基本的事实，即我们认识到这不同的颜色的确起因于光的波长之不同。

显然，无论如何我们必须把光子看做小波包。它们是孤立的、分立的，但仍然具有类波的性质；它们是一些边界不清的小包而不是一些坚硬的小核。如果我们想较好地理解光子真正是什么，扬的双缝实验仍然是有益的。

让我们再做一次那个双缝实验，但现在我们是在20世纪，假设我们用一个激光器产生发送到双缝的光。激光器能较好地控制光，我们把它看做能产生都是同样的波长、同样的频率和同样的能量的光子流，并且我们能够按某种情况仔细选定。启动激光器，我们看到条纹，或许我们把兆兆个光子组成的流，看做不知怎么就结合在一起并引起古典物理学家们曾经想象过的那种相干的、齐一的波动。

如果我们减小激光器的强度，条纹的图样就变得较微，这并不值得惊奇，按古典的观点，光强相应于波动的高度，随着强度的减小，波动会减弱，但它仍然是波，并且除了它的强度，由来自双缝的波之间的干涉所形成的图样不受影响。你能尽你所欲地调小激光的强度，用你的眼睛或者你想象出来的记录图像的什么灵敏的设备，仍然可看到条纹。但是我们坚持把光看做光子将如何呢？如果它们是某种粒子，即使不是子弹，并且在前几节我们不曾断定，那么光粒子将不产生一个干涉图样吗？

如果我们把激光强度调到如此之低，让我想象它三秒钟产生一个光子，这光子不是不得不穿过某个缝吗？在这种情况下，因为产生条纹的干涉被定义为从双缝出来的光之间的相互作用，那么条纹图样不应消失吗？我们似乎闯入困境，屏幕上光的明暗条纹图样的存在似乎要求来自初始光源的光被分为两部分，它们从双缝中出来在另一边相互干涉。还有如果光波实际上是一个光子流，并且如果光强是如此之低以致光子一个接一个地穿过这个装置，每个都必须穿过这个或哪个缝；那么在这种情况下不能有干扰，因为从一个裂缝中出来的单个光子没有什么相互干扰。

无可争议的事实是你能够用一个激光器实现扬的双缝实验，并且你能尽你所欲地降低激光的强度，以至于在先的光子有充分的时间通过这个装置后才发送另一个，这样你仍然能看到干涉图样。这怎么能与把光看做粒子的观点一致呢？