論楊氏雙縫干涉實驗成果

1、論楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗在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名揚(yáng)四海的實驗：光的雙縫干涉。后來的歷史證明，這個實驗完全可以躋身于物理學(xué)史上最經(jīng)典的前五個實驗之列，而在今天，它已經(jīng)出現(xiàn)在每一本中學(xué)物理的教科書上。楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源（從一個點發(fā)出的光源）?，F(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是

2、第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、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)實驗。一束電子或光或其他種類的“粒子——波”通過雙窄縫射到后面的屏幕去。為了確定起見，我們用光做實驗。按照通常的命名法，光量子稱為“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有的現(xiàn)象。只有整數(shù)個光子才被觀察

3、到。然而，光子通過縫隙時似乎產(chǎn)生了類波動的行為。先假定只有一條縫是開的（另一條縫被堵?。?。光通過該縫后就被散開來，這是被稱作光衍射的波動傳播的一個特征。但是，這些對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縫隙時，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的斑點組成——和粒子圖像相一致——是單獨的光子打到屏幕上。亮度光滑的表觀

4、是由于大量的光子參與的統(tǒng)計效應(yīng)。光子在通過狹縫時的確被隨機(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)我們打開另一條縫隙時就出現(xiàn)了粒子圖像的關(guān)鍵問題！假設(shè)光是來自于一個黃色的鈉燈，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)語稱為單色的，也即具有確定的波長或頻率。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)在我們在屏幕中心附近可看到大約三毫米寬的稱為干涉模式的條紋的波動形狀。我們也許會期望第二個縫隙的打開會簡單地把屏幕的光強(qiáng)加倍。如果我們考慮總的照度，這是對的。但是現(xiàn)在強(qiáng)度的模式的細(xì)節(jié)和單縫時完全不同。屏幕上的一些點——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。在另外的一些點也就是模式在該處最暗處光強(qiáng)為零。強(qiáng)度為零的點給粒子圖像帶來了最大的困惑。這些

6、點是只有一條縫打開時粒子非常樂意來的地方?，F(xiàn)在我們打開了另一條縫，忽然發(fā)現(xiàn)不知怎么搞的光子被防止跑到那里去。當(dāng)光通過縫隙時，它似乎像波動而不像粒子那樣行為。這種抵消對消干涉是波動的一個眾所周知的性質(zhì)。如來兩條路徑的每一條分別都可讓光通過，而現(xiàn)在兩條同時都開放，則它們完全可能會相互抵消。我解釋了何以致此。如果從一條縫隙來的一部分光和從另一條縫隙來的“同相”（也就是兩個部分波的波峰同時發(fā)生，波谷也同時發(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。在雙縫實驗中，只要屏幕上到兩縫隙的距離之差為波長的整數(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)典波動同時以這種方式通過兩個縫隙沒有任何困惑之處。波動畢竟只是某種媒質(zhì)（場）或者某種包含有無數(shù)很小點狀粒子的物體的一種“擾動”。擾動可以一部分通過一條縫隙，另一部分通過另一

8、條縫隙。但是這里的情況非常不同；每一個單獨光子自身是完整的波動！在某種意義上講，每個粒子一下通過兩條縫隙并且和自身干涉！光的確不是有時像粒子有時像波那樣行為。每一個單獨粒子自身完全地以類波動方式行為；一個粒子可得到的不同選擇的可能性有時會完全相互抵消！為了得到干涉，兩個不同選擇都必須有貢獻(xiàn)，有時“相加”——正如人們預(yù)料的那樣相互加強(qiáng)到兩倍——有時“相減”——這樣兩者會神秘地相互“抵消”掉。事實上，按照量子力學(xué)的規(guī)則，所發(fā)生的事比這些還更