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电磁波的波粒二象性 2021-02-18 11:46:50

当年学习电磁波时是作为一种由相互垂直的电场与磁场的震荡激发出的辐射波来学的。尽管这种波是肉眼看不见的,但是它的这种解释与我们肉眼看得见的如水波这样的横波的概念相同,而麦克斯韦给出的电磁波的运动方程也符合波动方程的形式,因此比较容易接受。如我们常在各种关于无线电波(radio waves)的图中看到的那样,我们可以想象出从一个中心点一圈一圈向外扩散出去的球面波的样子。

但是当来到了量子力学的时代,我们被告知所有的电磁波,从无线电波(radio waves)到伽马射线都是具有波粒二象性的光子的远动,因此原来理解的那种空间连续的物理波就成为了光子几率波(probability wave)了,这种几率波听上去就没有过去的那种连续的物理波好理解了。以无线电波来说,它不再是那一圈圈向外扩散的球面连续波,而是其分布具有球面特性的光子向外辐射,听起来就不太容易与长期以来通过各种形象的图示建立起来的无线电波的概念相连接了。

最近得知在Quara网站可以提出各种问题,然后会有各界专业人士回答。我就想到要将关于如何能完整一致地用光子几率波的概念来看待所有的电磁波的困惑提出来。但是,Quara要求所有的提问都以简单(What, how, when)等形式来提出,而不是象写一般文章一样先介绍一下基本思路和背景知识再提问,因此在费了一番心思之后,我提出这样一个问题,“How do the photons of the radio waves pass through the walls when the radio waves penetrate into the building from outside and how are the photons of the radio waves generated during the broadcasting?”我的主要目的并不是要问无线电波如何工作的,而是要以无线电波为例来了解如何能有一个对于电磁波的光子波粒二象性比较完整而明确的解释。之所以要选无线电波,是因为它的传播方式与可见光和其它的电磁波的传播方式不同,如果用光子的波粒二象性把它解释清楚了,其它的电磁波的光子的量子传播特性也就比较清楚了。

但意外的是,尽管有好几个人前来回答,而且从他们的背景来看都是物理系毕业的,有的还是上世纪70年代毕业的,因此都是资深的物理学界人士,但没有一个人能够给出一个关于电磁波的光子的能够解释从无线电波到伽马射线的完整统一而又明确的答案。他们都能用经典的电磁波理论来解释无线电的发射,传播,和穿透性,对光子的波粒二象性也能给出一般的解释,却都不能对我所提出的问题用光子的波粒二象性给出一个满意的回答。

其中最牛的答案是无线电波之所以能穿透砖墙和木头而可见光不能是因为砖墙和木头对于无线电波的光子是透明的而对于可见光的光子是不透明的。他的这个回答当然没错,但是否算得上一个明确的回答只能说是仁者见仁智者见智了。另外还有人说因为无线电波的波长比可见光长,所以当无线电波遇到砖块或木头的晶格时,它看不到具体的晶格,所以就这么过去了,这样的解释的后半段基本可以被忽略,而前半段也说不通,因为那无法解释比可见光波长更短的伽马射线的穿透性。

而且他们所有人都没能解释为什么可见光的光子不表现出电磁性,而包括无线电波的光子在内的其它的电磁波的光子附近可以测出电磁量来。

其中有一个人虽然没能给出满意的答复,却提供了一个很好的链接,那个链接讲述的是有人已经能够发射出无线电波(radio wave)的单个光子,并接受到了那单个无线电波的光子的声音。这就相当于彻底坐实了无线电波就由一个个不连续的光子构成的理论。但是,它这个实验有一点没讲清楚,那就是他们在监听那单独的无线电波光子时是否需要如同在用可见光光子进行实验时那样需要在所谓的光子运行的直线途径上来截取那个无线电波的光子。更确切地说,他们没有给出如何获取那个单独的无线电波光子的详细的设置。

当然,也有人给出比较离经叛道的解释,认为无线电波不是光子而是两个耦合电子。可能因为这种解释比较容易引起争议,Quara没有把它与其它解释列在一起,而是通过email给了我那个回复的一个单独的链接(尽管都是对我的问题回复)。下面两个链接的第一个是多数人的回复,第而二个是那个特殊的回复:

1) https://www.quora.com/How-do-the-photons-of-the-radio-waves-pass-through-the-walls-when-the-radio-waves-penetrate-into-the-building-from-outside-and-how-are-the-photons-of-the-radio-waves-generated-during-the-broadcasting

2) https://www.quora.com/How-do-the-photons-of-the-radio-waves-pass-through-the-walls-when-the-radio-waves-penetrate-into-the-building-from-outside-and-how-are-the-photons-of-the-radio-waves-generated-during-the-broadcasting/answer/David-Wrixon-EurIng?__nsrc__=4&__snid3__=17590652237

 

不过,尽管未能从那些人那里得到一个满意的答复,我对电磁场的光子的波粒二象性倒是有了一些新的理解---我个人的理解,并非正统的理论:

1)关于无线电波光子与其它电磁波光子的传播方式的不同:

这可能是由它们的发射机制的不同造成的。所有其它的电磁波的光子都是定向发射,因此它们形成光束(beam)的几率就高,而无线电波(包括雷达波)的发射机制使得光子有向四周进行球形扩散的可能性,因此无线电波的光子就以球形向四周发散出去。当然,这里的一个关键是那个单个无线电波的光子是如何运行的,如果它的运行方式与其它电磁波的光子的运行方式一样,那就证明我这里的理解是正确的了。可惜,那个关于收听单个无线电波光子信号的链接在这一点上没有说清楚。

2)无线电波的光子的波粒二象性似乎有这样的特点:在真空和流体中它们表现为粒子性,但一遇到固体晶格时,它们就表现为波动性----当然,这是我个人的感觉,不是课本上的正式理论。

另外,对于无线电波的光子的波粒二象性我还存在着两个最大的疑问:

1)如果光子的波粒二象性只是几率波而不是物理波,那么如何解释单个光子在双缝实验中会裂解为两个光子同时通过双缝的现象?按照几率波只能解释同一个光子出现在不同地方的几率,而无法解释同一个光子同时经过两个地方的现象。

2)为什么可见光的光子不具有电磁量的表现,而其它的电磁波的光子运动表现出电磁量。

。。。。。。


上面这个视频中的擦除效应似乎与下面这个视频中的退相干原理有些抵触。。。因为擦除效应本身似乎应该有退相干的作用,但它并没有:

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