对光本性的再认识——从泰勒实验到独立光束实验

1909 年， G．I 泰勒曾做了一个很奇特的实验①。他先在强光下拍摄了一根细针的衍射像，然后，设法把光束衰减，相应地延长曝光的时间， 最长的一次达 3 个月之久。当他把光束弱到至多一次使一个光子进入仪器

时，结果发现，所得到的衍射像与强光短时间条件下得到的完全相同。泰勒实验向人们显示，所谓干涉与衍射并不是像人们通常想的那样，是多个光子同时存在并相互作用下产生的，单个光子也会发生干涉。

泰勒实现的“单光子干涉”现象，使人们大惑不解。设想光束打在双缝上实现双光干涉时，一个光子怎么能“部分地”在一缝，同时又“部分地”在另一缝，然后自己与自己发生干涉呢？对这种一个入射光子同时穿过两缝的问题，狄喇克做出了正面回答②。他根据量子理论断言：“每一个光子都部分地进入两束中的每一束，这样，每一个光子只同它自己发生干涉，决不是发生在不同的两个光子之间的干涉⋯⋯只有光子部分地在一束，部分地在另一束时，才能两束光叠加起来发生干涉。”1970 年，狄喇在“科学普及知识”节目和“粒子物理的过去十年”讨论会联合举办的报告会上，还谈起过这一现象。他认为③，对于单个光子的干涉现象，完全可以用几率幅的概念做出回答。

几率幅是从量子力学的自身统计特征发展起来的一个概念。在海森伯的量子理论中，表述的基本量是矩阵元，它们通常为复数，不能直接被观察到。但是矩阵元模数的平方则对应一个实数，这个实数决定着微观粒子发射或吸收过程的几率；同样，在薛定谔的波动方程中，波函数也是一个相关变量的复数，它也不能被观察到。然而其模数的平方对应电子在某一位置或具有某一动量的几率。由此，人们看到，在量子理论中，几率总是作为一种量模数的平方出现的，人们称这种量为几率幅。狄喇克曾认为①： “这个几率幅概念，或许是量子论中最基本的概念。”“海森伯和薛定谔的真正天才是发现了几率幅的存在，它很好地隐藏在自然界之中。正是由于它隐藏之深，以前的人们才不能更早地发现量子力学。”几率幅是复数， 只有取其模的平方，才能对应微观世界某一事件的几率。狄喇克认为，这同样适用于光现象，他同样在上文中说道：“设想当一束粒子流向着两孔屏射去，当只允许穿过孔的粒子落向另外一块屏上时，每一个粒子穿过每个孔都有一个几率幅，把所有几率幅加起来，就得到一个粒子打在第二块屏某个位置的总几率幅，图面上的干涉图样正是这些几率幅累加起来的结果。”泰勒实验和狄喇克的解释，再一次向人们提出了一个老问题，这就是如何认识光和电子等微观客体的本性。当用量子理论描述这些客体时， 什么是最根本的概念，是波粒二象性，还是几率幅？这确实是长久以来， 一直纠缠不清的问题。

60 年代，激光出现后，使这种认识发生意想不到的变化。这一变化始于曼德尔(L.Mandal)等人所做的独立光束干涉实验②。他们用两支脉冲式红宝石激光器作为二独立光源。为保证条纹的可见度，他们采用了光电符合技术，以消除由于环境等影响出现的频率漂移造成的干扰信号，最后获得了条纹可见度为 15%的干涉图象。几年之后，经过改进，他们又得到了高度减弱的两支独立激光之间的干涉①。在后一个实验中，经过高度减弱的两束激光，每一束中一次仅有一个光子通过。当一束光中仅存在一个光子时，另一束光中光子存在的几率只有万分之一。这次实验首次实现了独立光源的“单光子干涉”。1971 年，拉德罗夫特(W.Radloft)又用另外的方法完成了类似的实验②。在这个实验中，他们以设计极为精巧的自动控制快门的曝光技术，得到了“单光子干涉”的清晰图象。

独立光束的“单个光子干涉”发生的是双光干涉，这一实验使人们惊

异地看到，当一只激光器发出的光束中，仅有一个光子奔向控测器时，另一只激光器还未发出光子，就已经发生了干涉。然而，当把另一只激光器关掉时，这种干涉就消失了。似乎光子能“预见”与它干涉的光子即将到来，就先发生了作用，或者似乎光子能与“虚无”发生作用。这种现象确实使人不解。两束激光的独立干涉实验所带来的影响是深远的。激光打开了人们的眼界，从中看到了用普通光所看不到的现象。独立光束干涉实验突破了从杨氏干涉实验以来，干涉光必须来自同一光源的限制。这一实验的成功还说明，狄喇克所说的“决不会发生两个光子之间的干涉”不仅是错的，还使人们进一步看到，在处理光的干涉问题时，光子概念似乎是不必要的，甚至是多余的。因为这必然招致光子与“虚无”干涉的荒谬结果。面对这种情况，使人们想到，当把光的微观客体视为光子时，并不意味着它类似于某种微粒，是否几率幅更为恰当？因为，如果放弃了光子是某种微粒而采用几率幅对干涉进行描述时，不仅避免了诸如光子在穿过一个缝的同时，又在穿过另一缝的局面，也能免去光子能与另一个光子的虚无空位发生干涉的问题，并能使干涉的图象更为清晰。