光的本性——波粒二象性的教學(xué)探討

林青

摘要：從光的本性研究歷史出發(fā)，給出傳統(tǒng)的“波粒二象性”以及相關(guān)的玻爾互補(bǔ)性原理。介紹最新的研究工作，給出“波-粒疊加”的概念，最后探討如何在教學(xué)中向?qū)W生傳授對(duì)于光的本性——波粒二象性以及波-粒疊加性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：光的本性；波粒二象性；電磁波

中圖分類(lèi)號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）06-0280-02

正是因?yàn)楣獾拇嬖冢祟?lèi)從出生起，一睜眼就看到世界。沒(méi)有太陽(yáng)光的黑夜，人們制造各種光源賦予黑夜新的光亮。眾所周知，地球上的各種重要資源——煤炭、石油等等可以說(shuō)是太陽(yáng)光能的另一種形式，可以說(shuō)沒(méi)有太陽(yáng)光，也就不會(huì)有人類(lèi)的存在。因此，對(duì)于太陽(yáng)光以及其他各類(lèi)光的研究探索從古至今一直在進(jìn)行著，而且也將不斷的持續(xù)下去。

一、光的本性研究歷史

人們對(duì)于光的本性的研究可以追溯到非常早的歷史時(shí)期。早在公元前4個(gè)世紀(jì)，古希臘的哲學(xué)家就開(kāi)始思考這一問(wèn)題。亞里士多德認(rèn)為，“光是氣元的擾動(dòng)”，而德謨克利特提出了“微粒說(shuō)”，這正是后來(lái)有關(guān)光的“波動(dòng)說(shuō)”和“粒子說(shuō)”的最早雛形。隨后到17世紀(jì)，惠更斯提出的“惠更斯原理”給出了光的波動(dòng)性的一個(gè)清晰的描述，而同時(shí)期，牛頓支持“粒子說(shuō)”。由于牛頓在物理學(xué)領(lǐng)域的地位，使得光的“粒子說(shuō)”占據(jù)統(tǒng)治地位。直到19世紀(jì)，托馬斯o楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾衍射都清晰地驗(yàn)證了光的波動(dòng)性。同時(shí)，麥克斯韋將經(jīng)典電磁學(xué)統(tǒng)一到一個(gè)完整的框架里，用麥克斯韋方程組處理所有經(jīng)典電磁學(xué)的問(wèn)題，并預(yù)言了電磁波的存在、可見(jiàn)光是一種電磁波。這一結(jié)果使得光的“波動(dòng)說(shuō)”取得了壓倒性的勝利，基本上所有的光學(xué)實(shí)驗(yàn)都可以用光的波動(dòng)性來(lái)解釋。然而，無(wú)法用“波動(dòng)說(shuō)”很好解釋的黑體輻射和光電效應(yīng)卻導(dǎo)致了光的量子化學(xué)說(shuō)。1905年，愛(ài)因斯坦利用普朗克的量子化概念，認(rèn)為光也是由一個(gè)一個(gè)光子組成，每一個(gè)光子具有一定的能量，這一能量與其頻率成正比，由此很好地解釋了光電效應(yīng)。這一理論以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明光的“粒子性”也是必不可少的。此后，隨著量子力學(xué)的發(fā)展，德布羅意提出不僅光具有波動(dòng)性，而且所有的微觀(guān)實(shí)物粒子，例如電子、質(zhì)子等也都具有波動(dòng)性，這一理論后來(lái)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。至此，人們不得不用“波粒二象性”的概念來(lái)闡述光以及微觀(guān)粒子的本性，認(rèn)為同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，這兩者是不可分割的[1]。

二、互補(bǔ)性原理

“波粒二象性”的概念闡述了光的特性，然而人們困惑于在實(shí)驗(yàn)中，光到底是表現(xiàn)出什么樣的性質(zhì)？畢竟在人們的觀(guān)念中，波動(dòng)性和粒子性是沖突的。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，玻爾提出了“互補(bǔ)性原理”，認(rèn)為“一個(gè)實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)粒子性還是波動(dòng)性取決于實(shí)驗(yàn)的探測(cè)裝置”，并且“波動(dòng)性和粒子性不能在同一種觀(guān)測(cè)裝置中都被完全觀(guān)察到”。例如，在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果在雙縫后放置一個(gè)觀(guān)測(cè)屏，那么無(wú)法預(yù)知每個(gè)光子到底從哪個(gè)縫出射，也就是不知道光子的任何路徑信息，這時(shí)可以觀(guān)測(cè)到干涉條紋，顯示光的波動(dòng)性；而如果在雙縫后放置的是兩個(gè)單光子探測(cè)器，那么可以準(zhǔn)確地知道每個(gè)光子到底從哪個(gè)縫出射，也就是可以知道光子的路徑信息，這時(shí)看不到任何干涉條紋，顯示出光的粒子性。不管是最初的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，還是后來(lái)發(fā)展起來(lái)利用Mach-Zehnder干涉儀做的實(shí)驗(yàn)（經(jīng)典惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)[2-8]），都驗(yàn)證了玻爾的互補(bǔ)性原理，特別是有關(guān)波動(dòng)性和粒子性不能在同一種觀(guān)測(cè)裝置都被完全觀(guān)測(cè)到的說(shuō)法。要么觀(guān)測(cè)到的是波動(dòng)性，要么觀(guān)測(cè)到的是粒子性。

三、波-粒疊加

然而，2012年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李傳鋒、郭光燦等領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)上率先實(shí)現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)[1，9，10]。隨后，英國(guó)布里斯托J.L.O'Brien領(lǐng)導(dǎo)的小組[11]和法國(guó)S.Tanzilli領(lǐng)導(dǎo)的小組[12]也分別完成了這一實(shí)驗(yàn)。在這一實(shí)驗(yàn)中，不僅觀(guān)測(cè)到了光的波動(dòng)性，而且同時(shí)觀(guān)測(cè)到了光的粒子性。實(shí)際上，觀(guān)測(cè)到的是光的波動(dòng)性和粒子性的量子疊加狀態(tài)——一種特殊的“非波非粒，亦波亦?！睜顟B(tài)，顯然其結(jié)果已經(jīng)不能再用玻爾的互補(bǔ)性原理來(lái)解釋[10]。由于這一實(shí)驗(yàn)顛覆了傳統(tǒng)的玻爾互補(bǔ)性原理，因此引起了廣泛的關(guān)注。這一實(shí)驗(yàn)被國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Photonics》選為2012年第六期的封面故事文章，同時(shí)英國(guó)著名量子物理學(xué)家Adesso教授和Girolami教授在同期《Nature Photonics》上發(fā)表專(zhuān)文評(píng)述，“波-粒疊加：量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)互補(bǔ)性原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在單個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中展示光子可以在波動(dòng)和粒子兩種行為之間相干地振蕩”[13]。另外，在《Nature Physics》上也有專(zhuān)文評(píng)述，稱(chēng)這一工作“重新定義了波粒二象性的概念”[14]。隨后，著名科學(xué)雜志New Scientist在2013年1月以封面故事文章的形式，以題為“量子影子-對(duì)物質(zhì)奧秘的更深入理解”[15]，重點(diǎn)報(bào)道了該結(jié)果。

四、教學(xué)

在講解波粒二象性的內(nèi)容時(shí)，可以從人們對(duì)光的本性研究歷史出發(fā)，介紹光的波動(dòng)性和粒子性的提出以及各自的發(fā)展，然后介紹德布羅意的理論，由此導(dǎo)出波粒二象性的概念以及玻爾的互補(bǔ)性原理，最后再介紹最新的研究成果，也就是“波-粒疊加”。通過(guò)對(duì)波-粒疊加的介紹，包括《Nature Photonics》的封面“太極圖”和New Scientist的封面“量子影子”，向?qū)W生闡述光的“波動(dòng)性”或者“粒子性”或者僅僅只是光的本性的一個(gè)側(cè)面。人們從自身可理解的角度出發(fā)，給出“波動(dòng)性”和“粒子性”的說(shuō)法?；蛘呔凸獗旧淼奶匦远?，并沒(méi)有所謂“波動(dòng)性”和“粒子性”的特性劃分。就像一個(gè)影子，不管是哪個(gè)角度的影子，都不能完全刻畫(huà)出其物體本身的所有特性。

換一種說(shuō)法，或者人們對(duì)于光的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了“波動(dòng)性”和“粒子性”的不同說(shuō)法，是源于人類(lèi)本身處于三維空間和一維時(shí)間中。而要能夠完全刻畫(huà)出光的本性，需要從更高維的時(shí)空角度去觀(guān)測(cè)。這一點(diǎn)可以與振動(dòng)學(xué)部分所講的旋轉(zhuǎn)矢量概念相類(lèi)比。之所以旋轉(zhuǎn)矢量在處理振動(dòng)的相位、相位差、時(shí)間差以及振動(dòng)的合成問(wèn)題顯得尤其方便，原因是它把一維的簡(jiǎn)諧振動(dòng)問(wèn)題看成是二維的勻速圓周運(yùn)動(dòng)在徑向上的投影。顯然，勻速圓周運(yùn)動(dòng)比簡(jiǎn)諧振動(dòng)要簡(jiǎn)單得多。而這也可以說(shuō)明，即便我們把單一的簡(jiǎn)諧振動(dòng)了解得如何如何清晰，也無(wú)法足夠了解勻速圓周運(yùn)動(dòng)。除非我們把兩個(gè)方向垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成起來(lái)，并且從二維的角度來(lái)研究，才能夠了解勻速圓周運(yùn)動(dòng)。同樣的，對(duì)于光而言，“波動(dòng)性”和“粒子性”都只是一個(gè)側(cè)面，只有把兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從一個(gè)更高維的角度（或者已經(jīng)超出了人類(lèi)，至少是絕大部分人類(lèi)能夠理解的范疇）來(lái)研究，才能夠真正的理解光的本性。endprint

此外，從這樣的問(wèn)題也可以引申到現(xiàn)實(shí)生活中。有些時(shí)候人們經(jīng)常會(huì)被繁雜的事情迷惑，理不清頭緒。而有的時(shí)候換一個(gè)角度來(lái)看待問(wèn)題的話(huà)，往往就迎刃而解了。這就是所謂的“當(dāng)局者迷，旁觀(guān)者清”的道理?；蛘咭部梢詮囊粋€(gè)更高的角度，跳出這個(gè)問(wèn)題，那么這個(gè)問(wèn)題也往往能夠看得更加清楚。就像人在山中走，無(wú)法看清整個(gè)山的形狀，只有站在更高的山峰才能夠一覽整個(gè)山峰。

最后，回到光的本性問(wèn)題的探討，隨著人們對(duì)于光的本性的研究逐漸深入，對(duì)物質(zhì)的奧秘也就理解得更加清晰。并且，對(duì)于物理世界的認(rèn)識(shí)也不是一成不變的，相應(yīng)我們的科學(xué)理論也不是一成不變的。實(shí)際上，科學(xué)的發(fā)展就是不斷批判不斷深化的過(guò)程。隨著人們認(rèn)識(shí)的深入，科學(xué)理論也展現(xiàn)出新的內(nèi)涵。

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