|
正和：我曾向建其，小猪等请教过我所做的一个光学实验，现在我把它整理出来，想听听你的看法。 梁：通常我们做光电效应实验是用一束激光直接去照射一光电管，然后通过测量光电子的状态推出光子能量，其结论是：光子能量的能量只与光子的频率有关。 如果我们改变一下实验，将这束激光（激光器的功率保持不变）首先经过干涉仪，然后用干涉后的激光去照射光电管，测量光电子的状态随干涉仪微动旋钮的变化，会发现光的能量不仅与光的频率有关，还与光子的相位有关。 从某种意义上说，爱氏的光电方程并没有真正反映单光子能量的变化。 请小猪斧正。 小猪：刘武青的实验都是测光电流的大小，这与光电效应测截止电压的方法完全不同。光电流的大小只反映光子数的多少，而截止电压才反映单光子能量。现在的光电池一般是用半导体做的，已经不适于做这样的实验。刘武青是瞎搞。 要做这样的研究，还是得回到最基本的原理装置上。用某种纯金属（最好用碱金属）做电极，封装在真空管中。通过电压控制器来测定一定频率的激光的光电流的截止电压，以此判断光子能量。 在你的实验中，干涉仪可能改变的是光子数；也可能激光并不足够单色，干涉仪起到分光作用。总之你要重新分析你的实验。 梁：实验所用GD-28光电管是锑钾铯光电阴极，光谱响应范围为300~650nm,峰值波长为400+/-20nm，实验是在光学实验室做的。在实验中改变反向偏置电压的大小似乎影响不大，但饱和电流却随微调很敏感。 激光器前的透镜拿掉后，光子汇聚成一光斑，干涉后的光斑（光电流）随微调周期性的变化。请教小猪，干涉仪如何改变光子数？ 小猪： 工作在饱和区可以用于研究光电管本身的性质，不宜用于研究光子吧？研究光子应当远离非线性的饱和区，在线性区工作才好。另外，不应考察反向偏置电压与光电流强度的关系，而是应考察截止电压与激光波长的关系吧？ 不同级的干涉明纹强度和宽度都是不一样的。可由惠更斯原理导出。 梁：调节实验室所用迈克耳孙干涉仪使之在屏幕上形成环形干涉条纹，将激光发生器前的短焦距透镜拿开，在原来放屏幕的地方放置光电管，接下来就是通常的光电效应实验。请解释一下，干涉如何改变光子数？。 小猪：我没用过迈氏干涉仪，看来你不给我开一堂课我是弄不明白的。 梁：既然没用过迈氏干涉仪，那就换个说法。 假设有两个相干光源，相距为L。在两光源延长线上的某一点，放置一屏幕使之与两光源连线垂直，在屏幕上会看到一圈一圈的干涉圆环。沿两光源连线方向，缓慢移动其中的一个光源，可以观察到干涉环的吞吐变化。 令所有从这两光源发出的全方位的光只能沿两光源连线的同方向发射，则在屏幕上的干涉环将汇聚成一个光斑，缓慢移动其中的一个光源，可以观察到光斑的周期性明暗变化。 当光斑变成暗（黑）时，保持这一状态，沿两光源连线移动屏幕，得到的结果是：在沿连线的任何一位置上（不包括两光源之间的位置）光斑都将是暗（黑）。 假设每个光源各发出100个光子，则在屏幕上应得到200个光子，这200个光子哪去了？ 小猪：如果是球面波，则光子分布到其它方向上了。如果是平面波，则在两光源间产生了共振吸收，变成热能了。 梁：从两相干光源发出的光子相位相差180度，发生了干涉，哪里来的共振吸收，变成热能了？ 小猪：我是按理想实验分析的。你既然不信，那你说说如何建立这样的相干光源吧。 梁：这样的相干光源可以在迈氏干涉仪的基础上，撤掉激光器前的短焦距透镜即可。目的是使从激光器发出的光束保持在同一方向上。 我想引出的结论是：屏幕上光斑的明暗变化并非是明的时候光子数多，暗的时候光子数少，而是一样多，只是暗的时候干涉相互抵消的结果。这就要求单光子自身的能量存在周期性变化。 小猪：干涉相消的地方是光子不去那儿。绝非去那儿的光子能量低。 梁：从两光源发出并到达干涉相消点的光子，他们的相位相差180度，叠加后总的对外作用是零，但并不代表到达干涉相消处的光子一定是能量低的光子或光子都不去那儿，两路能量高的光子（相差180度）同样可以到达干涉相消点，只不过他们相互抵消后总的对外作用效果为零。 如果说干涉相消的地方是光子不去那儿，那么在我所做的实验中光子去哪儿了？别再回答是共震吸收变热能了。 小猪：不可能是光子到达干涉相消点后再相消，这会违反能量守恒定律。而是如果该点会相消，光子就会“聪明”地不去那儿，以免去了后违背干涉规则或能量守恒定律。 你所做实验中光子不见了只可能是光源内耗了（共振吸收）或光源负荷降低消耗电能减少（没有发出）。 梁：小猪的确没接触过迈氏干涉仪。在迈氏干涉仪中，从激光器发出的激光通过其前放置的短焦距透镜会聚后形成了一个强度很高的点光源，点光源经分平面镜M1和M2反射后相当于两个相干光束是由两个虚光源S1和S2发出的。光的干涉并不会反作用到激光从激光器中发出。从激光器发出的光子在那儿被共振吸收了？ 为什么光子到达干涉相消点后再相消会违反能量守恒定律？ 小猪：还是针对具体原理图吧。 ___M2 如上所示S是激光光源，M1，M3是半透镜，M2，M4是反射镜，B1，B2是光度计。 如果M2与M4到M3的距离调节得刚好差1/4波长，则到达B2的光会差1/2波长，完全相消，因此B2读数为零，而B1读数达到最大。 如果光子实际到达B2再相消，那光子带来的能量怎么办？这就是我说的违背能量守恒的意思。因此光子根本就不去B2。M3对M4来的光线成了全透过，对M2来的光线成了全反射。 你的实验原理图能画出来分析吗？ 梁：你的实验原理图画的很好，小猪不是不知道迈氏干涉仪。对你的解释我仍有疑问。 “当B2读数为零时，B1读数达到最大”，你做过实验吗？肯定吗？ “M3对M4来的光线成了全透过，对M2来的光线成了全反射”，全反射全透过的条件应与入射光的角度及光是从光疏进入光密媒介有关好象与干涉没有关系。 小猪：我没见过真实的迈氏干涉仪。原理图当然见过。 “当B2读数为零时，B1读数达到最大”，你做过实验吗？肯定吗？ [[这是理论预测，对理论的信心有多大我就有多肯定。不过信心只有99.9999%，所以才有楼上向建其的请教。]] “M3对M4来的光线成了全透过，对M2来的光线成了全反射”，全反射全透过的条件应与入射光的角度及光是从光疏进入光密媒介有关好象与干涉没有关系。 建其：光子去了哪儿？我跟您的信中提到：您只考虑了干涉的空间分布问题，没有考虑时间分布问题。计入时间分布，能量必然守恒。 梁：时间相干性是光波经历各光路的时间不同而产生的同一光源的不相干现象。 我做的实验已经发生了相干（干涉点暗），我的问题是：即使光子能“聪明”的躲开相干点，那光子总得有个去处，在哪儿能找到？ 建其：不是时间干涉，而是时间分布。关于光子计数（photon Counting），Loudon的名著《光的量子理论》专门有一章讨论迈氏干涉仪的光子计数问题。这本书我在两年前的信中提到过。 关于迈氏干涉仪的光子计数问题，我的信中我也从经典电磁学（Maxwell理论）与量子电动力学两个角度做过一些解释。 Loudon没有研究时间分布问题。只研究光子计数与光子涨落问题。至于梁建中先生的问题“暗条纹处光子跑到哪里去了？”，实际上我在两年前给他的7页信中已经说清除了： 迈氏装置两条互相垂直的路径（双臂）上形成驻波。驻波上有波节与波峰，暗条纹上就是相当于驻节（那里不存在光子），光子到哪里去了？答案是：光子在路径（双臂）上了，那里存在驻波的空间分布。 我昨天说要考虑“时间分布”问题，其实在本质上将，就是指路径（双臂）上的驻波的空间分布。（我说的“时间分布”可能会导致歧义，我的“时间分布”其实就是指传播路径上的驻波的空间分布）。如果调节双臂长度差，那么在路径上光波的空间分布就相应发生变化。 当然，迈氏装置两条互相垂直的路径（双臂）上形成的驻波页算不上严格意义上的驻波，它的性质顶多处于驻波与行波之间。尽管光源一直在辐射光，但因为有行波特点，光绘辐射到外部空间去，双臂上的驻波也没有因为光源的存在而幅度一直增长。 我想，梁先生如果能再看一下我的那封信，一定会有一些新的理解。 逆子：两光源发出并到达干涉相消点的“光子”，他们的相位相差180度，叠加后总的对外作用是零。 以上完全是波动的解释了。光子在这里仅是一个称谓而已，毫无任何物理学意义。 梁先生我个人认为光子本身的提出就没有物理意义，我们再在这个基础上大谈其属性或内部结构更是没有意义了。恕我直言，到目前为止我还是不支持你看法。 小猪：如下原理图： ___M1 如上所示S是点光源，将其调暗至一次只能发出一个光子。 M是半透镜，M1，M2是全反射镜，其中M1与M相距100个波长，M2与M相距200+1/4波长。 C是光子计数器，SMC光路长200个波长。 我想问，C能计数到光子吗？如果不能，为什么？ 如果能，S发射光子到C收到光子相隔多少个周期。 建其：C无法计数到光子数，但能计到光子数的涨落。对于微弱光，光子数的涨落问题比光子数问题更重要。光子数为0，但是涨落并不为0。见Loudon的书，里面专门研究杨氏双缝实验与迈氏干涉装置的光子计数问题，尤其是涨落问题。 小猪：我原来假定M1臂的长度是100个波长，M2臂为200+1/4个波长，臂长不等是有深意的。现在只需要将M2臂改成200个波长，则C应当能检测到光子。SMC光路仍为200个波长，S发射光子到C收到光子相隔多少个周期？400、500还是600？ 如果是400个周期，让M2臂越来越长但保持整数个波长，那到达C的光子如何知道遥远的M2的存在？如果是600个周期，那到M1反射的光子在哪里延时？ 建其：没有答案，因为干涉的建立需要时间。所以很难回答您的问题，或者说这个问题需要用干涉建立的动态过程来回答。 小猪：谢谢！原来这么困难。 梁： ___M1 我所说的每个光子的能量存在周期性的变化是指：每个光子在垂直其运动方向的平面上的电矢量E做周期性的变化。其特点是：距点光源外任意一点上，电矢量的大小不随时间变化，电矢量的大小随光程而变化。 如图：从M1和M2反射到观察屏C上的光子的光程不同，C的电矢量E等于从M1反射来的光子的电矢量E1与从M2反射来的光子的电矢量E 2的矢量合。 调节M2镜后的微调旋钮，使C上的电矢量E为零，C处的光电效应为零。（此时从M到C的所有点上电矢量都是零），我们不能简单地认为光电效应为零的地方是光子数为零的地方。 建其：从M1和M2反射的光子经M都到达了C，但是这些光子不是实光子，而是虚光子（C上虽然没有光子，即没有实光子，但是有光子涨落）。经典电动力学只是能给出干涉现象的描述，但是深层次问题无法解释，因此必须用量子理论（虚光子产生、湮灭）来解释。C上虽然无实光子（光子数为0），但是C上的确产生与湮灭了光子，它们是虚光子，是涨落来源。 梁：从M1和M2反射到屏幕上的光子只是相位不同罢了，怎么变成虚光子了？你的意思是不是屏幕上的电子把所有射到屏幕上的光子都吸收了，然后又都全部吐了出来，所以光电效应为零。问题是吐出来的光子到哪儿去了？ 建其：如果这些被吸收与被吐出的虚光子本身还满足经典电动力学，那么它们实际上就是实光子，表现为实光子行为。 以上就是经典电动力学与量子电动力学之间的联系与区别。 经典电动力学只是从数学上描述了现象，但是没有机制解释。量子电动力学用路径积分方法就能解释虚光子与实光子之间的联系与区别 |