光的干涉單光子自我干涉的統(tǒng)計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)上是每個光子自身概率幅的自我干涉大量光子的積累只是把單個光子的概率分布變成了可見條紋單個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)單光子雙縫實驗每次只發(fā)射一個光子通過雙縫裝置中同一時刻只有一個光子存在屏幕上每次只出現(xiàn)一個點光子被完整探測能量 \(\hbar\omega\)積累成千上萬個光子后明暗相間的干涉條紋依然出現(xiàn)這個實驗直接排除了干涉是不同光子相互作用的可能 —— 因為裝置里根本沒有第二個光子可以相互作用。條紋只能來自單個光子自身的概率幅同時走過兩條縫、再自我疊加。狄拉克的名言每個光子只與它自己發(fā)生干涉兩個不同光子之間永遠不會發(fā)生干涉。二、那兩束強光交叉時的 電場疊加 怎么解釋經(jīng)典圖像說兩束光的電場 \(E_1\)、\(E_2\) 疊加\(I|E_1E_2|^2\)出現(xiàn)干涉項。這在宏觀計算中完全正確但量子層面的真實過程是兩束光有固定相位關(guān)系時同源分出每個光子的概率幅都包含了 經(jīng)由路徑 A 和 經(jīng)由路徑 B 兩個分量每個光子的這兩個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光子獨立地完成這個自我干涉一萬個光子就有一萬次獨立的自我干涉條紋是這一萬次獨立事件的統(tǒng)計分布圖案不是光子 A 和光子 B互相影響 的結(jié)果打個比方扔硬幣每次正面概率 0.5扔一萬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后顯現(xiàn)為統(tǒng)計圖案。干涉條紋同理 —— 它是單光子概率分布的統(tǒng)計顯現(xiàn)。三、關(guān)鍵區(qū)分光子之間永遠不直接相互作用無論單光子還是強光有一個底線不變光子在真空中不帶電荷不直接相互作用。兩個光子相遇不會碰撞、不會推擠、不會改變對方的軌跡。干涉不是 光子 A 影響了光子 B而是每個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 —— 這正是光子獨立性的體現(xiàn)。經(jīng)典語言說兩束光干涉是對大量光子統(tǒng)計行為的宏觀等效描述不是微觀真實過程。四、微妙之處獨立光源的光子也能 干涉 嗎狄拉克的說法后來被實驗細化了。兩個獨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)論當探測器無法區(qū)分光子來自哪個光源時光子全同、到達時間在相干時間內(nèi)光子來自光源 A 和 光子來自光源 B 是同一個光子的兩種不可區(qū)分的可能性干涉發(fā)生在這兩個可能性的概率幅之間仍然是單個光子的自我干涉一旦你能區(qū)分光子來自哪個光源加偏振標記、路徑標記干涉條紋立即消失所以更精確的表述是干涉發(fā)生在同一個光子的不同可能歷史 的概率幅之間而不是兩個光子實體之間。五、二階干涉唯一需要兩個光子同時存在的情況還有一類干涉叫二階干涉強度干涉典型代表是 Hong-Ou-MandelHOM效應(yīng)兩個全同光子從兩個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需要兩個光子同時存在描述的是雙光子聯(lián)合概率幅的干涉但這仍然不是 兩個光子在相互作用沒有力、沒有能量交換而是兩個光子不可區(qū)分時量子統(tǒng)計導致的聯(lián)合概率分布變化表格干涉類型物理本質(zhì)需要幾個光子典型現(xiàn)象一階干涉經(jīng)典干涉單個光子不同路徑概率幅的自我疊加1 個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 個同時存在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。大量光子獨立完成自我干涉后統(tǒng)計積累形成可見條紋。兩束強光的 電場疊加 是宏觀等效描述微觀上是無數(shù)單光子自我干涉的集合。光子與光子在真空中永遠不直接相互作用 —— 干涉的主體是概率幅不是光子實體之間的碰撞。