光的本性――波粒二象性的教学探讨

摘要：从光的本性研究历史出发，给出传统的“波粒二象性”以及相关的玻尔互补性原理。介绍最新的研究工作，给出“波-粒叠加”的概念，最后探讨如何在教学中向学生传授对于光的本性――波粒二象性以及波-粒叠加性质。

关键词：光的本性；波粒二象性；电磁波

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0280-02

正是因为光的存在，人类从出生起，一睁眼就看到世界。没有太阳光的黑夜，人们制造各种光源赋予黑夜新的光亮。众所周知，地球上的各种重要资源――煤炭、石油等等可以说是太阳光能的另一种形式，可以说没有太阳光，也就不会有人类的存在。因此，对于太阳光以及其他各类光的研究探索从古至今一直在进行着，而且也将不断的持续下去。

一、光的本性研究历史

人们对于光的本性的研究可以追溯到非常早的历史时期。早在公元前4个世纪，古希腊的哲学家就开始思考这一问题。亚里士多德认为，“光是气元的扰动”，而德谟克利特提出了“微粒说”，这正是后来有关光的“波动说”和“粒子说”的最早雏形。随后到17世纪，惠更斯提出的“惠更斯原理”给出了光的波动性的一个清晰的描述，而同时期，牛顿支持“粒子说”。由于牛顿在物理学领域的地位，使得光的“粒子说”占据统治地位。直到19世纪，托马斯o杨的双缝干涉实验、菲涅尔衍射都清晰地验证了光的波动性。同时，麦克斯韦将经典电磁学统一到一个完整的框架里，用麦克斯韦方程组处理所有经典电磁学的问题，并预言了电磁波的存在、可见光是一种电磁波。这一结果使得光的“波动说”取得了压倒性的胜利，基本上所有的光学实验都可以用光的波动性来解释。然而，无法用“波动说”很好解释的黑体辐射和光电效应却导致了光的量子化学说。1905年，爱因斯坦利用普朗克的量子化概念，认为光也是由一个一个光子组成，每一个光子具有一定的能量，这一能量与其频率成正比，由此很好地解释了光电效应。这一理论以及相关的实验证明光的“粒子性”也是必不可少的。此后，随着量子力学的发展，德布罗意提出不仅光具有波动性，而且所有的微观实物粒子，例如电子、质子等也都具有波动性，这一理论后来被实验验证。至此，人们不得不用“波粒二象性”的概念来阐述光以及微观粒子的本性，认为同时具有波动性和粒子性，这两者是不可分割的[1]。

二、互补性原理

“波粒二象性”的概念阐述了光的特性，然而人们困惑于在实验中，光到底是表现出什么样的性质？毕竟在人们的观念中，波动性和粒子性是冲突的。为了说明这一点，玻尔提出了“互补性原理”，认为“一个实验中展现粒子性还是波动性取决于实验的探测装置”，并且“波动性和粒子性不能在同一种观测装置中都被完全观察到”。例如，在杨氏双缝干涉实验中，如果在双缝后放置一个观测屏，那么无法预知每个光子到底从哪个缝出射，也就是不知道光子的任何路径信息，这时可以观测到干涉条纹，显示光的波动性；而如果在双缝后放置的是两个单光子探测器，那么可以准确地知道每个光子到底从哪个缝出射，也就是可以知道光子的路径信息，这时看不到任何干涉条纹，显示出光的粒子性。不管是最初的杨氏双缝干涉实验，还是后来发展起来利用Mach-Zehnder干涉仪做的实验（经典惠勒延迟选择实验[2-8]），都验证了玻尔的互补性原理，特别是有关波动性和粒子性不能在同一种观测装置都被完全观测到的说法。要么观测到的是波动性，要么观测到的是粒子性。

三、波-粒叠加

然而，2012年中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室的李传锋、郭光灿等领导的实验小组在实验上率先实现了量子惠勒延迟选择实验[1，9，10]。随后，英国布里斯托J.L.O'Brien领导的小组[11]和法国S.Tanzilli领导的小组[12]也分别完成了这一实验。在这一实验中，不仅观测到了光的波动性，而且同时观测到了光的粒子性。实际上，观测到的是光的波动性和粒子性的量子叠加状态――一种特殊的“非波非粒，亦波亦粒”状态，显然其结果已经不能再用玻尔的互补性原理来解释[10]。由于这一实验颠覆了传统的玻尔互补性原理，因此引起了广泛的关注。这一实验被国际顶级期刊《Nature Photonics》选为2012年第六期的封面故事文章，同时英国著名量子物理学家Adesso教授和Girolami教授在同期《Nature Photonics》上发表专文评述，“波-粒叠加：量子惠勒延迟选择实验的实现挑战互补性原理设定的传统界限，在单个实验装置中展示光子可以在波动和粒子两种行为之间相干地振荡”[13]。另外，在《Nature Physics》上也有专文评述，称这一工作“重新定义了波粒二象性的概念”[14]。随后，著名科学杂志New Scientist在2013年1月以封面故事文章的形式，以题为“量子影子-对物质奥秘的更深入理解”[15]，重点报道了该结果。

四、教学

在讲解波粒二象性的内容时，可以从人们对光的本性研究历史出发，介绍光的波动性和粒子性的提出以及各自的发展，然后介绍德布罗意的理论，由此导出波粒二象性的概念以及玻尔的互补性原理，最后再介绍最新的研究成果，也就是“波-粒叠加”。通过对波-粒叠加的介绍，包括《Nature Photonics》的封面“太极图”和New Scientist的封面“量子影子”，向学生阐述光的“波动性”或者“粒子性”或者仅仅只是光的本性的一个侧面。人们从自身可理解的角度出发，给出“波动性”和“粒子性”的说法。或者就光本身的特性而言，并没有所谓“波动性”和“粒子性”的特性划分。就像一个影子，不管是哪个角度的影子，都不能完全刻画出其物体本身的所有特性。

换一种说法，或者人们对于光的认识出现了“波动性”和“粒子性”的不同说法，是源于人类本身处于三维空间和一维时间中。而要能够完全刻画出光的本性，需要从更高维的时空角度去观测。这一点可以与振动学部分所讲的旋转矢量概念相类比。之所以旋转矢量在处理振动的相位、相位差、时间差以及振动的合成问题显得尤其方便，原因是它把一维的简谐振动问题看成是二维的匀速圆周运动在径向上的投影。显然，匀速圆周运动比简谐振动要简单得多。而这也可以说明，即便我们把单一的简谐振动了解得如何如何清晰，也无法足够了解匀速圆周运动。除非我们把两个方向垂直的简谐振动合成起来，并且从二维的角度来研究，才能够了解匀速圆周运动。同样的，对于光而言，“波动性”和“粒子性”都只是一个侧面，只有把两者有机结合起来，从一个更高维的角度（或者已经超出了人类，至少是绝大部分人类能够理解的范畴）来研究，才能够真正的理解光的本性。

此外，从这样的问题也可以引申到现实生活中。有些时候人们经常会被繁杂的事情迷惑，理不清头绪。而有的时候换一个角度来看待问题的话，往往就迎刃而解了。这就是所谓的“当局者迷，旁观者清”的道理。或者也可以从一个更高的角度，跳出这个问题，那么这个问题也往往能够看得更加清楚。就像人在山中走，无法看清整个山的形状，只有站在更高的山峰才能够一览整个山峰。

最后，回到光的本性问题的探讨，随着人们对于光的本性的研究逐渐深入，对物质的奥秘也就理解得更加清晰。并且，对于物理世界的认识也不是一成不变的，相应我们的科学理论也不是一成不变的。实际上，科学的发展就是不断批判不断深化的过程。随着人们认识的深入，科学理论也展现出新的内涵。

参考文献：

[1]李传锋、郭光灿。利用量子信息技术研究量子物理（report），2013。

[2]Wheeler，J.A.The 'Past' and the 'Delayed-Choice' Double-Slit Experiment，in Mathematical Foundations of Quantum Theory，edited by Marlow，A.R.（Academic Press，New York，1978）.

[3]Wheeler，J.A.Quantum Theory and Measurement，edited by Wheeler，J.A.& Zurek，W.H.（Princeton University Press，Princeton，NJ，1984）.

[4]Hellmut，T.，Walther，H.，Zajonc，A.G.& Schleich，W.Delayed-choice experiments in quantum interference.Phys.Rev.A 35，2532 （1987）.

[5]Baldzuhn，J.，Mohler，E.& Martienssen，W.A waveparticle delayed-choice experiment with a single-photon state.Z.Phys.B 77，347 （1989）.

[6]Lawson-Daku，B.J.et al.Delayed choices in atom Stern-Gerlach interferometry.Phys.Rev.A 54，5042 （1996）.

[7]Kim，Y.H.，Yu，R.，Kulik，S.P.，Shih，Y.& Scully，M.O.Delayed “choice”quantum eraser.Phys.Rev.Lett.84，1 （2000）.

[8]Jacques，V.et al.Experimental Realization of Wheeler's Delayed-Choice Gedanken Experiment.Science 315，966 （2007）.

[9]Ionicioiu R.，Terno D.R.Proposal for a Quantum Delayed-Choice Experiment.Phys.Rev.Lett.107，230406 （2011）.

[10]Tang J S，Li Y.L.，Xu X.Y.，Xiang G.Y.，Li C.F.，Guo G.C.Realization of quantum Wheeler's delayed-choice experiment.Nature Photonics 6，600 （2012）.

[11]Peruzzo1 A.，Shadbolt P.，Brunner N.，Popescu S.，O'Brien J.L.A Quantum Delayed-Choice Experiment.Science 338，634-637（2012）.

[12]Kaiser F.，Coudreau T.，Milman P.，Ostrowsky D.B.，Tanzilli S.Entanglement-Enabled Delayed-Choice Experiment.Science 338，637-640 （2012）.

[13]Adesso G.，Girolami D.Quantum optics：Wave-particle superposition.Nature Photonics 6，579 （2012）.

[14]Georgescu I.A matter of choice.Nature Physics 8，637 （2012）.

15]Ananthaswamy A.Quantum shadows：The mystery of matter deepens.New Scientist，2898，36-39 （2013）.