怎样证明光既是粒子又是波?(光电效应如何证明光子的粒子性)


并不是如同大家想的那么简单。

光是粒子还是波,还是既是粒子又是波?

我们换一种说法说这个事情:

光电效应的探测只是探测到了光的“粒子性”(particlelike)。

衍射和干涉也只是探测到了光的“波动性”(wavelike)。

当然,你现在可以得出一个正确但不完善的小结论:

光在有的实验中可能表现出粒子性,有的实验中表现出波动性,光的粒子性和波动性是依赖实验设备的(apparatus-dependence).


而我们证明的要证明的可是光既是粒子又是波!i.e.光在同一实验中既可以表现出波动性又可以表现出粒子性!

再换句话说,有没有直接测量能够说明光可以从“粒子性”过渡到“波动性”

有的。

See: Entanglement-Enabled Delayed-Choice Experiment,Science,F.Kaise,etc.

science.sciencemag.org/


那我们还是讨论一下呗= =

首先看到一个实验,叫做 Wheeler's gedanken experiment,这是一个大学物理水平的实验. 它是这个样子的:

光从左下角进去,通过一个 BS1(光学分束器 1)分束成两个,然后一束通过一个相位板从 a 出出射,一束从 b 处出射.

当在 a,b 光交汇处放置另一个 BS2,随着相位板角度

的变化,光源发出单光子时,两个探测器输出如子图 B 所示,这等价于一个单光子自干涉实验.表现了光的波动性.

当移除 BS2 之后,两个探测器显然都会有一半的概率接受到一个光子,如子图 C 所示,此时是光子的粒子性.

那么我们怎么把光的波动性和粒子性叠加起来呢?我们只要让 BS2 处于“在”与“不在”的叠加态,或者让他的功能状态收到量子态的调控即可。于是我们考虑构造一个 QBS(量子光学分束器),控制这个分束器的东西是偏振的空间取向(量子的).

这个图的右边的绿框就是一个量子 BS,而为了控制偏振取向,光源也换成了纠缠光子源,发出两个纠缠光子,左边的光子是辅助光子(控制光子),右边的光子是实验光子,而受控的是量子 BS。

那么现在就可以通过一个 EOM(光电相位调制器)来调整“控制光子”的取向角度

,而由于两个光子是纠缠在一起的,由于纠缠效应,就能等效的控制另一个光子的取向。

而由于 PDBS 是一个对光子取向依赖的设备,进而整个量子 BS 都受到了 EOM 的调控,在合适的

角度,此时 QBS 的工作状态是处于“起作用”和“不起作用”的叠加态之中的。基于我们对 Wheeler 实验的理解,粒子性还是波动性是对实验设备性质依赖的,现在实验设备处在叠加态之中了,波、粒性也就叠加起来了。

上图是实验结果:

等于 0 的时候,QBS 以概率 1 处于不工作状态,这个实验探测的是完全的粒子性.

等于

时候,QBS 以概率 1 处于工作状态,这个实验探测的是完全的波动性.

至于 QBS 怎么构造,看图 1,是一个 PDBS 和两个 PBS 结合,PDBS 是:

PDBS 实现了对 H 极化的光子 100%从某一出口出,而对于 V 极化的光子是两个出口等概率出射的。

所有的图片全部来自原文章:

science.sciencemag.org/,

我一个公式也没用!!!!

看这类 Science 文章真的可以让人脑洞打开,赏心悦目。

此外,任何光就是光,既不是经典的粒子也不是经典的波的回答都是= =。。。

因为没有可操作性和实验观测价值的定义或描述,都不是一个学习物理的好同志应该说出来的话。

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