論楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)成果

1、論楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)在1807年，托馬斯楊揚(yáng)總結(jié)出版了他的《自然哲學(xué)講義》，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了他那個(gè)名揚(yáng)四海的實(shí)驗(yàn)：光的雙縫干涉。后來(lái)的歷史證明，這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全可以躋身于物理學(xué)史上最經(jīng)典的前五個(gè)實(shí)驗(yàn)之列，而在今天，它已經(jīng)出現(xiàn)在每一本中學(xué)物理的教科書(shū)上。楊的實(shí)驗(yàn)手段極其簡(jiǎn)單：把一支蠟燭放在一張開(kāi)了一個(gè)小孔的紙前面，這樣就形成了一個(gè)點(diǎn)光源（從一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光源）。現(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是

2、第二張紙上開(kāi)了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過(guò)兩道狹縫投到屏幕上，就會(huì)形成一系列明、暗交替的條紋，這就是現(xiàn)在眾人皆知的雙縫干涉條紋。理論依據(jù)理論依據(jù)讓我們考慮這一“原型的”量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)。一束電子或光或其他種類(lèi)的“粒子——波”通過(guò)雙窄縫射到后面的屏幕去。為了確定起見(jiàn)，我們用光做實(shí)驗(yàn)。按照通常的命名法，光量子稱(chēng)為“光子”。光作為粒子（亦即光子）的呈現(xiàn)最清楚地發(fā)生在屏幕上。光接收是以光子單位的完全有或完全沒(méi)有的現(xiàn)象。只有整數(shù)個(gè)光子才被觀察

3、到。然而，光子通過(guò)縫隙時(shí)似乎產(chǎn)生了類(lèi)波動(dòng)的行為。先假定只有一條縫是開(kāi)的（另一條縫被堵住）。光通過(guò)該縫后就被散開(kāi)來(lái)，這是被稱(chēng)作光衍射的波動(dòng)傳播的一個(gè)特征。但是，這些對(duì)于粒子的圖像仍是成立的?？梢韵胂罂p隙的邊緣附近的某種影響使光子隨機(jī)地偏折到兩邊去。當(dāng)相當(dāng)強(qiáng)的光也就是大量的光子通過(guò)縫隙時(shí)，屏幕上的照度顯得非常均勻。但是如果降低光強(qiáng)度，則人們可斷定，其亮度分布的確是由單獨(dú)的斑點(diǎn)組成——和粒子圖像相一致——是單獨(dú)的光子打到屏幕上。亮度光滑的表觀

4、是由于大量的光子參與的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。光子在通過(guò)狹縫時(shí)的確被隨機(jī)地彎折——彎折角不同則概率不同，就這樣地得到了所觀察到的亮度分布。然而，當(dāng)我們打開(kāi)另一條縫隙時(shí)就出現(xiàn)了粒子圖像的關(guān)鍵問(wèn)題！假設(shè)光是來(lái)自于一個(gè)黃色的鈉燈，這樣它基本上具有純粹的非混合的顏色——用技術(shù)上的術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為單色的，也即具有確定的波長(zhǎng)或頻率。在粒子圖像中，這表明所有光子具有同樣的能量。此處波長(zhǎng)約為5107米。假定縫隙的寬度約為0.001毫米，而且兩縫相距0.15毫米左右，屏幕大概

5、在一米那么遠(yuǎn)。在相當(dāng)強(qiáng)的光源照射下，我們?nèi)匀坏玫搅艘?guī)則的亮度模式。但是現(xiàn)在我們?cè)谄聊恢行母浇煽吹酱蠹s三毫米寬的稱(chēng)為干涉模式的條紋的波動(dòng)形狀。我們也許會(huì)期望第二個(gè)縫隙的打開(kāi)會(huì)簡(jiǎn)單地把屏幕的光強(qiáng)加倍。如果我們考慮總的照度，這是對(duì)的。但是現(xiàn)在強(qiáng)度的模式的細(xì)節(jié)和單縫時(shí)完全不同。屏幕上的一些點(diǎn)——也就是模式在該處最亮處——照度為以前的四倍，而不僅僅是二倍。在另外的一些點(diǎn)也就是模式在該處最暗處光強(qiáng)為零。強(qiáng)度為零的點(diǎn)給粒子圖像帶來(lái)了最大的困惑。這些

6、點(diǎn)是只有一條縫打開(kāi)時(shí)粒子非常樂(lè)意來(lái)的地方?，F(xiàn)在我們打開(kāi)了另一條縫，忽然發(fā)現(xiàn)不知怎么搞的光子被防止跑到那里去。當(dāng)光通過(guò)縫隙時(shí)，它似乎像波動(dòng)而不像粒子那樣行為。這種抵消對(duì)消干涉是波動(dòng)的一個(gè)眾所周知的性質(zhì)。如來(lái)兩條路徑的每一條分別都可讓光通過(guò)，而現(xiàn)在兩條同時(shí)都開(kāi)放，則它們完全可能會(huì)相互抵消。我解釋了何以致此。如果從一條縫隙來(lái)的一部分光和從另一條縫隙來(lái)的“同相”（也就是兩個(gè)部分波的波峰同時(shí)發(fā)生，波谷也同時(shí)發(fā)生），則它們將互相加強(qiáng)。但是如果它們剛

7、好“反相”（也就是一個(gè)部分波的波峰重疊到另一部分的波谷上），則它們將互相抵消。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，只要屏幕上到兩縫隙的距離之差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍的地方，則波峰和波峰則分別在一起發(fā)生，因而是亮的。如果距離差剛好是這些值的中間，則波峰就重疊到波谷上去，該處就是暗的。關(guān)于通常宏觀的經(jīng)典波動(dòng)同時(shí)以這種方式通過(guò)兩個(gè)縫隙沒(méi)有任何困惑之處。波動(dòng)畢竟只是某種媒質(zhì)（場(chǎng)）或者某種包含有無(wú)數(shù)很小點(diǎn)狀粒子的物體的一種“擾動(dòng)”。擾動(dòng)可以一部分通過(guò)一條縫隙，另一部分通過(guò)另一

8、條縫隙。但是這里的情況非常不同；每一個(gè)單獨(dú)光子自身是完整的波動(dòng)！在某種意義上講，每個(gè)粒子一下通過(guò)兩條縫隙并且和自身干涉！光的確不是有時(shí)像粒子有時(shí)像波那樣行為。每一個(gè)單獨(dú)粒子自身完全地以類(lèi)波動(dòng)方式行為；一個(gè)粒子可得到的不同選擇的可能性有時(shí)會(huì)完全相互抵消！為了得到干涉，兩個(gè)不同選擇都必須有貢獻(xiàn)，有時(shí)“相加”——正如人們預(yù)料的那樣相互加強(qiáng)到兩倍——有時(shí)“相減”——這樣兩者會(huì)神秘地相互“抵消”掉。事實(shí)上，按照量子力學(xué)的規(guī)則，所發(fā)生的事比這些還更