双缝:一个光子自己和自己干涉
单光子也干涉,但它一次只落一个点
把光源调到一次只出一个光子。屏上先出现一颗颗孤立的亮点,位置看起来毫无规律;等落点攒到足够多,明暗相间的条纹会自己浮出来。没有哪一颗光子画过条纹——条纹是所有落点的统计形状。
一条条纹要攒几千个点
单光子到达时,探测器只「咔」一声,记下一个位置。它不会告诉你光子走了哪条缝,也不会留下半明半暗的痕迹。前几十个点看不出结构,落点东一个西一个;几百个点之后,亮纹的位置稳定下来,暗纹里始终空着。
把一条缝挡住,条纹立刻消失,剩下正中一团平滑的光斑。所以条纹不是「两条缝各投一个影子再叠起来」,而是两条路径同时开着才有的东西——哪怕场上每次只有一个光子。
下面的演示里,光子是一个一个累加的;读数里的累计命中,就是已经打出的光子数。
双缝与光子落点
点密了,结构才浮出来。单看任何一个点,位置都像随手掷的;把它们摞在一起,位置就变得极有规律。
相加的是振幅,不是光子
两条路径各给落点位置一个复数,叫概率幅。屏上某点的概率,是这两个复数相加之后再取模平方:
相位差随位置变化。正对中央的地方两条路一样长,两个振幅方向相同,相加变大,是亮纹;往旁边挪一点,路程差恰好半个波长,两个振幅大小相同、方向相反,相加为零,是暗纹。缝间距越大,同样的位置对应的路程差越大,明暗交替得越快,条纹也就越密。
「光子分成两半」错在这里:一个光子始终是一份。数学上两条路径都参与,物理上它一次只落一个点。这就是 干涉 的含义——不是两束光打架,是同一个光子的两条路径先相加、再取模;模平方给出概率,两个概率幅之间的相位决定明暗。
光子经过双缝时分裂成两半,分别走两条缝,再在屏上叠加。
光子没有分裂。两条路径各自贡献一个概率幅,相加后取模平方,才是落点的概率分布。
「分成两半」把数学上的「两条路径都算进去」读成了物理上的「光子被切开」。真去测它走了哪条缝,条纹就没有了。
一句话结论
双缝实验最容易被忽略的是时间:干涉不是一次发生的,是几万个单次落点攒出来的统计形状。决定每一次落点的,是概率幅的相加——模给出概率,相位决定明暗。所以单光子也干涉,只是它一次只落一个点。
本节自测 · 3 题
未作答
01把光源调到一次只发一个光子,让感光屏曝光足够久,最后看到的是什么?
解析 · 单次到达只在屏上落一个点,落点随机;大量落点累积之后,频率分布才显出条纹。A 把单次结果当成了统计结果;B 是「从哪条缝过就落在哪条缝后面」的经典直觉;D 是路径信息被完全获知时的形状。
02在演示里把缝间距调大,条纹会怎么变?
解析 · 同样的落点位置,缝间距越大,两条路径的路程差越大,相位差变化得越快,明暗交替因此更密——条纹间距与缝距成反比。A 把方向说反了;C 是打开哪条路探测器才会发生的事;D 忽略了相位差随位置变化这一机制。
03「光子分成两半,一半走左边、一半走右边,两半在屏上叠加」这个说法哪里不对?
解析 · 干涉发生在概率幅层面:同一个光子的两条路径各贡献一个复数,相加后再取模平方。A 把数学上的分支当成了物理上的分裂;C 又滑回「其实只走了一条缝」,那正是装上探测器时的情形;D 与实验事实无关,单光子当然能穿缝。