小惑不解之贰.1 :光子“能且仅能”自相干涉之论证 - 物理学院(Physics)版 - 北大未名BBS
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小惑不解之贰.1 :光子“能且仅能”自相干涉之论证

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OhMyDog [在线]

物理大湿

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<ASCIIArt> 1楼

小惑不解之贰.1 :光子“能且仅能”自相干涉之论证

在双缝实验中,一束所谓“相干光”穿过双缝,在屏上呈现干涉条纹,这群小光子们是如何干涉的呢?用严密的逻辑穷举法,只可能有以下3种情况:《情况1》每位光子自相干涉,互不干扰(好比一群人在跳街舞);《情况2》光子们互相干涉(好比一群人在跳交谊舞);《情况3》以上两种情况兼而有之(一群人在跳舞,有成双成对的情侣,也不乏凄凄惨惨的单身狗)。对于《情况1》,已经有人做过单光子的双缝实验,证明有“光子能且仅能自我干涉”之可能。至于《情况2》,并没有明确的实验证明,人们只是把习以为常的宏观波动(声波、水面波等)理论外推到了微观领域,不能保证适用。宏观波动有介质,两列相干波共用同一个载体,对于一小块介质而言,同时受到两个波的驱动,它没法同时进行两种位移,只能按照两个波的合力而运动。也就是说,两个共用同一介质载体的宏观波动相遇,不得不互相干涉。但对微观波动则不然,光波或电子的德布罗意波没有介质以太,也不需要载体,因此也就没有必须互相干涉之要求。所以《情况2》不一定能实现,若《情况2》不能实现,当然《情况3》也就不能实现了。我的看法是:只有《情况1》,《情况2》和《情况3》都不存在,否则的话,一些大家习以为常的现象难以解释。

首先,如拙文《小惑不解之贰:阳光佯谬》中所说,灿烂阳光普照大地,是热辐射,各种波长各种相位乱七八糟,假如光子们能够互相干涉,某位光子就很容易遇到与其频率相同或相近的伙伴,只要两者的偏振方向不是互相垂直,就应当发生干涉,相应的振幅和光度或加强、或减弱,加强的话也只是两者各自资产的简单叠加,并无额外收益或不当得利,但减弱的话可就是实打实的亏血本了!因此总体来说,普照的阳光只能有减无增,昏黑一片,但这与事实相悖,反证了光子们不能互相干涉。

其次,我们先把两束光的“相干”条件略作推广。我们通常先用滤光片把阳光或白炽灯光进行过滤,用以制备“相干”光束,其实滤过的光并不是严格意义的单色光,而只是在比较狭窄的频域宽度中的一些光。我们要求两个相干光束频率相同或相近,只不过为了干涉条纹清晰和便于计算而已。假设不同频率的两束光能够互相干涉,干涉图案比较复杂但不是混乱,也是能够计算的。设想用两个不同频率的光源,例如红光LED和蓝光LED同时照射双缝,显示屏上将呈现红色干涉条纹和蓝色干涉条纹的叠加,中央亮纹互相重合,两旁亮纹并不重合,红光波长较长,红色亮纹间距较大。假若光子们能够互相干涉的话,只要所用的红光和蓝光的偏振面不是互相垂直,显示屏上除了通常的干涉条纹外,还应呈现出红光光子和蓝光光子相互干涉的图案,如果没有出现这种附加图案,也就反证了光子们不能互相干涉。你也许会说:“红光光子和蓝光光子不能互相干涉,但红光光子和红光光子可以互相干涉。”其实所谓红色,是个模糊概念,是凭人的感觉界定可见光中一段频率范围。如果说两个频率严格相同的光子相遇才能够互相干涉,那么这种机会就趋近于零。如果说两个频率相近的光子相遇就能够互相干涉,那么请问“相近”的范围是多少?说不清道不明。

为了省事,从网上下载了一幅白色阳光的双缝干涉图案,如附图。由于各色光的波长不同,相应的亮纹间距也不同,总体来看,井然有序。如果假定每个光子只能自相干涉(自己和自己干涉)就能出现这种图案。反之,如果假定光子们可以互相干涉,就不是这种图案,而是浑然一片。

以上就是我对“光子只能自相干涉(不能互相干涉)”的论证。我89岁的生日已经过了,90岁的脑浆已从豆腐脑凝成豆腐干了。热切期盼年轻的朋友们用你们灵活的脑筋对本老民科的观点大力批驳。       

    
















 

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发表于2023-10-29 04:54:32
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