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中向?qū)W生傳授對于光的本性——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

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0280-02

正是因為光的存在，人類從出生起，一睜眼就看到世界。沒有太陽光的黑夜，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、石油等等可以說是太陽光能的另一種形式，可以說沒有太陽光，也就不會有人類的存在。因此，對于太陽光以及其他各類光的研究探索從古至今一直在進行著，而且也將不斷的持續(xù)下去。

一、光的本性研究歷史

人們對于光的本性的研究可以追溯到非常早的歷史時期。早在公元前4個世紀，古希臘的哲學家就開始思考這一問題。亞里士多德認為，“光是氣元的擾動”，而德謨克利特提出了“微粒說”，這正是后來有關(guān)光的“波動說”和“粒子說”的最早雛形。隨后到17世紀，惠更斯提出的“惠更斯原理”給出了光的波動性的一個清晰的描述，而同時期，牛頓支持“粒子說”。由于牛頓在物理學領(lǐng)域的地位，使得光的“粒子說”占據(jù)統(tǒng)治地位。直到19世紀，托馬斯o楊的雙縫干涉實驗、菲涅爾衍射都清晰地驗證了光的波動性。同時，麥克斯韋將經(jīng)典電磁學統(tǒng)一到一個完整的框架里，用麥克斯韋方程組處理所有經(jīng)典電磁學的問題，并預言了電磁波的存在、可見光是一種電磁波。這一結(jié)果使得光的“波動說”取得了壓倒性的勝利，基本上所有的光學實驗都可以用光的波動性來解釋。然而，無法用“波動說”很好解釋的黑體輻射和光電效應卻導致了光的量子化學說。1905年，愛因斯坦利用普朗克的量子化概念，認為光也是由一個一個光子組成，每一個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。這一理論以及相關(guān)的實驗證明光的“粒子性”也是必不可少的。此后，隨著量子力學的發(fā)展，德布羅意提出不僅光具有波動性，而且所有的微觀實物粒子，例如電子、質(zhì)子等也都具有波動性，這一理論后來被實驗驗證。至此，人們不得不用“波粒二象性”的概念來闡述光以及微觀粒子的本性，認為同時具有波動性和粒子性，這兩者是不可分割的[1]。

二、互補性原理

“波粒二象性”的概念闡述了光的特性，然而人們困惑于在實驗中，光到底是表現(xiàn)出什么樣的性質(zhì)？畢竟在人們的觀念中，波動性和粒子性是沖突的。為了說明這一點，玻爾提出了“互補性原理”，認為“一個實驗中展現(xiàn)粒子性還是波動性取決于實驗的探測裝置”，并且“波動性和粒子性不能在同一種觀測裝置中都被完全觀察到”。例如，在楊氏雙縫干涉實驗中，如果在雙縫后放置一個觀測屏，那么無法預知每個光子到底從哪個縫出射，也就是不知道光子的任何路徑信息，這時可以觀測到干涉條紋，顯示光的波動性；而如果在雙縫后放置的是兩個單光子探測器，那么可以準確地知道每個光子到底從哪個縫出射，也就是可以知道光子的路徑信息，這時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驗，還是后來發(fā)展起來利用Mach-Zehnder干涉儀做的實驗（經(jīng)典惠勒延遲選擇實驗[2-8]），都驗證了玻爾的互補性原理，特別是有關(guān)波動性和粒子性不能在同一種觀測裝置都被完全觀測到的說法。要么觀測到的是波動性，要么觀測到的是粒子性。

三、波-粒疊加

然而，2012年中國科學技術(shù)大學中科院量子信息重點實驗室的李傳鋒、郭光燦等領(lǐng)導的實驗小組在實驗上率先實現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實驗[1，9，10]。隨后，英國布里斯托J.L.O'Brien領(lǐng)導的小組[11]和法國S.Tanzilli領(lǐng)導的小組[12]也分別完成了這一實驗。在這一實驗中，不僅觀測到了光的波動性，而且同時觀測到了光的粒子性。實際上，觀測到的是光的波動性和粒子性的量子疊加狀態(tài)——一種特殊的“非波非粒，亦波亦粒”狀態(tài)，顯然其結(jié)果已經(jīng)不能再用玻爾的互補性原理來解釋[10]。由于這一實驗顛覆了傳統(tǒng)的玻爾互補性原理，因此引起了廣泛的關(guān)注。這一實驗被國際頂級期刊《Nature Photonics》選為2012年第六期的封面故事文章，同時英國著名量子物理學家Adesso教授和Girolami教授在同期《Nature Photonics》上發(fā)表專文評述，“波-粒疊加：量子惠勒延遲選擇實驗的實現(xiàn)挑戰(zhàn)互補性原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限，在單個實驗裝置中展示光子可以在波動和粒子兩種行為之間相干地振蕩”[13]。另外，在《Nature Physics》上也有專文評述，稱這一工作“重新定義了波粒二象性的概念”[14]。隨后，著名科學雜志New Scientist在2013年1月以封面故事文章的形式，以題為“量子影子-對物質(zhì)奧秘的更深入理解”[15]，重點報道了該結(jié)果。

四、教學

在講解波粒二象性的內(nèi)容時，可以從人們對光的本性研究歷史出發(fā)，介紹光的波動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，由此導出波粒二象性的概念以及玻爾的互補性原理，最后再介紹最新的研究成果，也就是“波-粒疊加”。通過對波-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“波動性”或者“粒子性”或者僅僅只是光的本性的一個側(cè)面。人們從自身可理解的角度出發(fā)，給出“波動性”和“粒子性”的說法?；蛘呔凸獗旧淼奶匦远?，并沒有所謂“波動性”和“粒子性”的特性劃分。就像一個影子，不管是哪個角度的影子，都不能完全刻畫出其物體本身的所有特性。

換一種說法，或者人們對于光的認識出現(xiàn)了“波動性”和“粒子性”的不同說法，是源于人類本身處于三維空間和一維時間中。而要能夠完全刻畫出光的本性，需要從更高維的時空角度去觀測。這一點可以與振動學部分所講的旋轉(zhuǎn)矢量概念相類比。之所以旋轉(zhuǎn)矢量在處理振動的相位、相位差、時間差以及振動的合成問題顯得尤其方便，原因是它把一維的簡諧振動問題看成是二維的勻速圓周運動在徑向上的投影。顯然，勻速圓周運動比簡諧振動要簡單得多。而這也可以說明，即便我們把單一的簡諧振動了解得如何如何清晰，也無法足夠了解勻速圓周運動。除非我們把兩個方向垂直的簡諧振動合成起來，并且從二維的角度來研究，才能夠了解勻速圓周運動。同樣的，對于光而言，“波動性”和“粒子性”都只是一個側(cè)面，只有把兩者有機結(jié)合起來，從一個更高維的角度（或者已經(jīng)超出了人類，至少是絕大部分人類能夠理解的范疇）來研究，才能夠真正的理解光的本性。endprint

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

最后，回到光的本性問題的探討，隨著人們對于光的本性的研究逐漸深入，對物質(zhì)的奧秘也就理解得更加清晰。并且，對于物理世界的認識也不是一成不變的，相應我們的科學理論也不是一成不變的。實際上，科學的發(fā)展就是不斷批判不斷深化的過程。隨著人們認識的深入，科學理論也展現(xiàn)出新的內(nèi)涵。

參考文獻：

[1]李傳鋒、郭光燦。利用量子信息技術(shù)研究量子物理（report），2013。

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