光的干涉單光子自我干涉的統(tǒng)計(jì)積累直接答案一階干涉雙縫、薄膜、邁克爾遜等經(jīng)典干涉本質(zhì)上是每個(gè)光子自身概率幅的自我干涉大量光子的積累只是把單個(gè)光子的概率分布變成了可見(jiàn)條紋單個(gè)光子總的能量太低不足以可視化。不是不同光子之間在相互作用。一、決定性證據(jù)單光子雙縫實(shí)驗(yàn)每次只發(fā)射一個(gè)光子通過(guò)雙縫裝置中同一時(shí)刻只有一個(gè)光子存在屏幕上每次只出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)光子被完整探測(cè)能量 \(\hbar\omega\)積累成千上萬(wàn)個(gè)光子后明暗相間的干涉條紋依然出現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)直接排除了干涉是不同光子相互作用的可能 —— 因?yàn)檠b置里根本沒(méi)有第二個(gè)光子可以相互作用。條紋只能來(lái)自單個(gè)光子自身的概率幅同時(shí)走過(guò)兩條縫、再自我疊加。狄拉克的名言每個(gè)光子只與它自己發(fā)生干涉兩個(gè)不同光子之間永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生干涉。二、那兩束強(qiáng)光交叉時(shí)的 電場(chǎng)疊加 怎么解釋經(jīng)典圖像說(shuō)兩束光的電場(chǎng) \(E_1\)、\(E_2\) 疊加\(I|E_1E_2|^2\)出現(xiàn)干涉項(xiàng)。這在宏觀計(jì)算中完全正確但量子層面的真實(shí)過(guò)程是兩束光有固定相位關(guān)系時(shí)同源分出每個(gè)光子的概率幅都包含了 經(jīng)由路徑 A 和 經(jīng)由路徑 B 兩個(gè)分量每個(gè)光子的這兩個(gè)概率幅分量在屏上疊加決定該光子出現(xiàn)在明紋還是暗紋位置每個(gè)光子獨(dú)立地完成這個(gè)自我干涉一萬(wàn)個(gè)光子就有一萬(wàn)次獨(dú)立的自我干涉條紋是這一萬(wàn)次獨(dú)立事件的統(tǒng)計(jì)分布圖案不是光子 A 和光子 B互相影響 的結(jié)果打個(gè)比方扔硬幣每次正面概率 0.5扔一萬(wàn)次后大約一半正面一半反面。這不是硬幣之間在相互作用而是每次扔硬幣的概率分布在大量重復(fù)后顯現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)圖案。干涉條紋同理 —— 它是單光子概率分布的統(tǒng)計(jì)顯現(xiàn)。三、關(guān)鍵區(qū)分光子之間永遠(yuǎn)不直接相互作用無(wú)論單光子還是強(qiáng)光有一個(gè)底線不變光子在真空中不帶電荷不直接相互作用。兩個(gè)光子相遇不會(huì)碰撞、不會(huì)推擠、不會(huì)改變對(duì)方的軌跡。干涉不是 光子 A 影響了光子 B而是每個(gè)光子的概率幅在自身的不同可能路徑之間疊加。兩束光交叉后各自繼續(xù)傳播互不改變 —— 這正是光子獨(dú)立性的體現(xiàn)。經(jīng)典語(yǔ)言說(shuō)兩束光干涉是對(duì)大量光子統(tǒng)計(jì)行為的宏觀等效描述不是微觀真實(shí)過(guò)程。四、微妙之處獨(dú)立光源的光子也能 干涉 嗎狄拉克的說(shuō)法后來(lái)被實(shí)驗(yàn)細(xì)化了。兩個(gè)獨(dú)立激光器在特定條件下也能產(chǎn)生干涉條紋但這不推翻 單光子自我干涉 的結(jié)論當(dāng)探測(cè)器無(wú)法區(qū)分光子來(lái)自哪個(gè)光源時(shí)光子全同、到達(dá)時(shí)間在相干時(shí)間內(nèi)光子來(lái)自光源 A 和 光子來(lái)自光源 B 是同一個(gè)光子的兩種不可區(qū)分的可能性干涉發(fā)生在這兩個(gè)可能性的概率幅之間仍然是單個(gè)光子的自我干涉一旦你能區(qū)分光子來(lái)自哪個(gè)光源加偏振標(biāo)記、路徑標(biāo)記干涉條紋立即消失所以更精確的表述是干涉發(fā)生在同一個(gè)光子的不同可能歷史 的概率幅之間而不是兩個(gè)光子實(shí)體之間。五、二階干涉唯一需要兩個(gè)光子同時(shí)存在的情況還有一類干涉叫二階干涉強(qiáng)度干涉典型代表是 Hong-Ou-MandelHOM效應(yīng)兩個(gè)全同光子從兩個(gè)端口入射分束器它們總是從同一端口出射玻色子聚束這確實(shí)需要兩個(gè)光子同時(shí)存在描述的是雙光子聯(lián)合概率幅的干涉但這仍然不是 兩個(gè)光子在相互作用沒(méi)有力、沒(méi)有能量交換而是兩個(gè)光子不可區(qū)分時(shí)量子統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致的聯(lián)合概率分布變化表格干涉類型物理本質(zhì)需要幾個(gè)光子典型現(xiàn)象一階干涉經(jīng)典干涉單個(gè)光子不同路徑概率幅的自我疊加1 個(gè)即可大量積累成條紋雙縫、薄膜、邁克爾遜二階干涉量子干涉雙光子聯(lián)合概率幅的不可區(qū)分性效應(yīng)2 個(gè)同時(shí)存在HOM 聚束、HBT 效應(yīng)六、總結(jié)光的一階干涉不是不同光子之間的相互作用疊加而是每個(gè)光子自身概率幅在不同可能路徑之間的相干疊加。大量光子獨(dú)立完成自我干涉后統(tǒng)計(jì)積累形成可見(jiàn)條紋。兩束強(qiáng)光的 電場(chǎng)疊加 是宏觀等效描述微觀上是無(wú)數(shù)單光子自我干涉的集合。光子與光子在真空中永遠(yuǎn)不直接相互作用 —— 干涉的主體是概率幅不是光子實(shí)體之間的碰撞。