光子学的产生与出现（无法用常识认识的光子行为）

人类的好奇心是永无止境的，物理学家们绞尽脑汁地想方设法想要知道波粒二象性的奥秘，他们又设计了几个单光子的实验，希望“迷惑”光子从而发现它的运动路径。可是结果是，光子不但没被我们迷惑，反而把我们弄得更加迷惑了。

14.1 单光子偏振实验

我们在第5章和第9章中介绍过一些偏振光的知识，但此处还需更深入地了解一下。

偏振光。图片来自网络

同一方向上传播的两列频率相同的线偏振光可以合成圆偏振光，圆偏振光又可以分为左旋和右旋两种。

注：同一方向上传播的两列频率相同的线偏振光，如果它们的振动方向互相垂直，并具有固定的相位差，则根据相位差的不同，它们合成的光振动矢量末端的轨迹可以是直线、椭圆或圆。如果相位差是0°或180°，则合成的还是线偏振光；如果相位差是±90°，则合成的是圆偏振光；除此之外是椭圆偏振光。对于椭圆偏振光或圆偏振光，人们规定，迎着光线看时，如果光矢量顺时针旋转，则称为右旋偏振光；如果光矢量逆时针旋转，则称为左旋偏振光。

在自然界中也可以产生光的偏振现象，比如自然光通过某些晶体后，就可以观察到光的偏振现象。光通过晶体后的偏振现象是和晶体对光的双折射现象同时发生的。把一块透明的方解石（化学成分是CaCO3）晶片放到纸上，会看到一个字呈现双像（见图14-1），这说明光进入方解石后分成了两束。这种折射光分成两束的现象称为双折射现象。

图14-1 方解石的双折射现象

研究表明，用圆偏振光射入方解石，发生双折射后会被分解成两束相互垂直的线偏振光，两束光的强度各为原来的一半。现在，如果拿一块同样的方解石晶体反向放置，就可将竖直和水平线偏振光重新组合，从而重构圆偏振光，这样的重构已经在精密的实验中实现（见图14-2）。

现在我们来做一个实验，如果把通过晶体的光强降低到非常低的水平，每次只通过一个光子，那么从两块晶体后出来的光子是线偏振光子还是左旋圆偏振光子呢？实验结果显示，它是左旋圆偏振光子！太难以置信了，难道光子能分成两半再重新组合吗？

再来一个更绝的实验，我们在两块晶体之间插入一块挡板，把水平线偏振光的光路挡住，还是通过一个光子，这时就不会产生左旋圆偏振光子了，出现的是一个竖直偏振光子（见图14-3）。同理，如果挡住竖直线偏振光路，就会出来一个水平偏振光子。

从两个实验综合来看，同样是一个光子，但是它好像“知道”两条光路的通畅情况并受其影响。

光子的行为是与我们的常识所违背的，我们只能根据路径积分理论，认为光子可以探测到所有路径，从而决定自己的行为。除此之外，看来别无他法。可是，光子是怎么探测到所有路径的呢？

14.2 单光子广角干涉实验

1992 年，新墨西哥大学的物理学家们成功进行了单光子的广角干涉实验，让人们对波粒二象性的神奇又有了新的认识。

如图14-4 所示，用激光器激发染料分子S 发射出固定波长的光子，控制实验条件，可以保证S 每次只发射一个光子。反射镜M1 和M2 放置在两个几乎完全相反的方向（θ 接近180°）。图中画出了从经典物理角度来看光子的两条可能路径，路径1 和2 分开的角度远远大于双缝实验（双缝实验中射向两个狭缝的光路夹角非常小）。

经过M1 和M2 反射后，沿着路径1 和路径2 传播的光在分束器处相遇。分束器是一种光学器件，它能使入射到它上面的光一半透射一半反射。如果光同时沿路径1 和路径2 传播，那么在分束器右侧，沿路径2 传播而被反射的光和沿路径1 传播而从分束器透过的光就会叠加起来，在到达接收器时发生干涉，显示出干涉图样。

如果同时发射大量的光子，出现干涉图样也许不会让我们惊讶，因为我们会认为光子有的走路径1，有的走路径2，通过分束器时路径1 的光子有一半透射，路径2 的光子有一半反射，所以会叠加起来产生干涉，并不难理解。

可是，实验中每次只发射一个光子，结果显示，随着光子一个个地打在接收器上，居然也会出现干涉图样！

由于每次只有一个光子，而且两条路径是远远分开的，用传统观念是很难理解这个实验的。因为假如说按经典路径观点来看，这一个光子是同时沿着两条几乎相反的路径行进然后自己跟自己干涉的，这怎么可能呢？

为了探究光子的运动方向，实验者想到了通过测量分子的反冲动量来判断光子发射方向的办法，但是由于不确定原理，分子的反冲动量无法精确测量，所以还是无法判断光子到底是怎么运动的。

图片来自网络

从某一瞬间来看，光子就是一个粒子，不会是波，也不会分成两半，但最后它的概率分布却符合波的规律，其中有何奥妙，真是令人百思不得其解。

14.3 单光子延迟选择实验

前面所列举的实验中，实验设置都是固定的，这可能会让光子有所“准备”。于是人们想到，能不能先不固定实验设置，我们把测量所需的装置准备好，加上一个转换开关，等光子走完大半路程即将到达终点之际再决定是要测量它的波动性还是粒子性。物理学家把这种方案称为延迟选择实验。

这个想法太毒辣了，光子能过了这一关吗？你一定想知道是谁这么狠，能提出这样的方案。不是别人，就是费曼和艾弗雷特的导师惠勒。1979 年，他提出了延迟选择实验的明确思路。随后几十年中，他的思想实验变成了现实，物理学家们成功进行了多种延迟选择实验。延迟选择实验原理同上述单光子广角干涉实验差不多，不过在这儿两条路径成直角（见图14-5）。

这个实验中仍然每次只发出一个光子，分以下四种情况观测。

第一种情况：不放置分束器B2。

结果：单个光子出发后，或者被D1 探测到，或者被D2 探测到。对于大量光子的统计结果显示，D1 和D2 会各探测到光子总数的一半。这种情况下，我们可以认为D1 探测到的光子沿路径1 而来，D2 探测到的光子沿路径2 而来。也就是说，可以判断光子通过哪条路径，光子呈现粒子性。

第二种情况：放置分束器B2。

通过路径1 来的光有一半会被反射到D2，另一半则会直接透射到D1。而通过路径2 来的光有一半会被反射到D1，另一半则会直接透射到D2。通过仔细摆放B2 可以使两束射向D2 的光发生相消干涉，彼此抵消，而两束射向D1 的光发生相长干涉，彼此加强。

结果：单个光子出发后，只能被D1 探测到，而不会被D2 探测到。

对于大量光子的统计结果显示，所有光子都会被D1 探测到。这种情况下，每个光子好像都是同时沿着两条轨迹运动，然后自己与自己发生干涉。也就是说，无法判断光子通过哪条路径，光子呈现波动性。

图片来自网络

第三种情况：延迟放置分束器B2。已经知道，如果不放置B2，则可判断光子路径；如果放置B2，则无法判断。现在我们进行延迟选择实验。

光子出发后，按光速计算它到达分束器B1 的时间，等它通过B1 后，再来随机决定是否放置B2。也就是说，等我们做出决定时，光子已经离开B1 很远了，但是它到B2 还有点距离，它还在途中。

结果：单个光子出发后，在它已经通过B1，还没到达B2 之前，突然插入B2，这时光子只能被D1 探测到，显示波动性。如果不插入B2，结果和上述第一种情况一样，显示粒子性。

这个结果实在是太匪夷所思了。光子的运动方式可以由人为测量而改变：在它到达终点之前不插入B2，它就会沿两条路径之一运动，显示粒子性；如果插入B2，它就同时经过两条路径，显示波动性。在你插入B2 之前，虽然看起来它已经通过了B1，但实际上一切都是不确定的。

第四种情况：放置分束器B2，但用挡板把B1 和M2 之间的路径挡住，使光子无法从路径2 通过。

结果：现在光子只有路径1 可走，于是从路径1 到达B2 的光子有50％的机会透射，还有50％的机会被反射，两个探测器都可能探测到光子，干涉消除了，光子成为沿着特定路径运动的粒子。

如果你认为这个实验延迟得还不够，那么下一个实验一定会使你心服口服。

14.4 量子擦除实验

上述延迟选择实验是让光子通过B1 后来选择测量粒子性还是波动性，如果能让光子通过B2 后再来选择，那就更刺激了。而物理学家们居然真的做到了这一点。

1982 年，美国物理学家在延迟选择实验思想上提出了一种“量子擦除”实验构想。1992 年，加州大学伯克利分校的保罗·科威特、埃弗雷姆·施坦格和雷蒙德·乔完善了这一装置并实现了这个实验。量子擦除实验比较复杂，其简单的原理示意如图14-6 所示。

该实验仍然每次只有一个光子。通过路径2 的光会经过一个“标识器”，它是一台起偏器，会把从路径2 经过的光子标记上偏振信息。在分束器B2 与探测器D1 和D2 间放置用来消除“标识器”所作标记的装置，它们是两台消偏器，称为“擦除器”。因为路径信息被存储在光子的偏振态中，可以用消偏器去掉。

实验结果显示，如果只有标识器而没有擦除器，干涉就会消失。之所以这样，是因为如果只有标识器，从路径2 经过的光子会带有偏振信息，无法和路径1 的光干涉。但是令人震惊的是，如果既存在标识器，又存在擦除器，干涉将会再次出现！加上擦除器之后，尽管从路径2 经过的光带有偏振信息，但在到达最终的探测器之前，偏振信息就已经被清除了，于是干涉就会再次产生。

要知道，擦除器是在B2 的后边，光子如果要干涉只能借助B2 来实现，现在已经过了B2，本应无法干涉了，居然因为加了个擦除器而继续干涉，这实在是太不可思议了！看来，虽然光子处于半路上，但只要前方发生变化，它立刻就能“探测”出从起点出发以来的所有可能路径从而重新决定它最终的落点。难道它发现偏振信息被擦除后能重新选择历史路径吗？难道时间会倒流吗？

（摘自《从量子到宇宙》，作者：高鹏。）

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