科学发展到今天,人们已经普遍接受了光具有“波粒二象性”的观点。但诡异的是光的波动性、微粒性不能同时被观测到。一次观测实验中,要么你观测到光呈现波动性,要么你观测到光呈现微粒性。实验设计不同,光表现出的特性也不同。
光的二象性——波动性和微粒性,就如同硬币的正反两个面,同时存在,但不能同时被观测到。桌面上静止的硬币只能被看到一面,正面或者反面,不能同时被看到两个面。
光在传播中处于波动性和微粒性叠加的状态,只要不去干预,就一直这样处在这种叠加态。就如同一个竖直旋转的硬币,你可以可以说是正面也可以说是反面,不触动它,它就一直旋转下去。
如果通过实验去观测传输的光,也就说去干预它,光的叠加态瞬间就会坍缩,变成确定态——表现出波动态或者粒子态。就如同把旋转的硬币拍倒在桌面上,瞬间硬币正面向上或者反面向上。
我们再看进一步的例子。
以杨氏双缝干涉实验为例。众所周知,杨氏双缝干涉实验是用来观测光干涉现象的。杨氏双缝实验是用光照射两条平行狭缝,在屏幕上获得斑马状干涉条纹。
按光的波动性理论解释,光同时通过两条狭缝,波阵面一分为二,在屏幕上叠加,出现干涉条纹;若从粒子性角度探究,光作为粒子一次只能通过一条狭缝,一粒光粒子通过的是哪条狭缝呢?
为了探究光子的粒子性,对实验加以改进,看看光粒子到底通过哪条狭缝。我们从光源一个一个地发射单光子,在狭缝上装上光子探测器,目的是探测光子通过了哪条狭缝。
结果发现光粒子一次只通过一条狭缝,不能通过另一条,到底通过了哪条狭缝是随机的,概率各占50%。这时干涉现象消失了,屏幕上只出现两条条纹,这两条条纹分别对应着两条狭缝。
把刚才装的探测器撤掉,不再在狭缝处用探测器对光进行干预,神奇的是干涉现象此时又出现了,屏幕上又出现了多条斑马状条纹,
非常诡异,用探测器探测,光就呈现粒子性,去掉探测器光就呈现波动性。
由此可见,光表现出波动性还是粒子性取决于观测手段,而且一次实验只能观测到一个属性。用探测器探测它的轨迹,光就坍缩成粒子态,干涉性消失;如果让光通过狭缝打到屏幕上,光就呈现波动性,叠加相干,粒子性不出现,在屏幕上可以观测到干涉条纹。
结论:波粒二象性就像硬币的两个面,同时存在,在一个事件中只能看到一个面。