光的双缝干涉图样特点
“物理定律不能单靠“思维”来获得,还应致力于观察和实验。”——普朗克
在我们日常生活中,事物总是以它们既定的方式发生,不管我们看不看,所有的一切都不会发生任何变化。看见你桌子上的水杯了吗?不管我们看不看它,它一直在那,永远不会消失也永远属于你!这就是我们这个宏观世界的现实性和确定性。
当然,如果是上级或者自己暗恋的人在看你,你可能会感到不自在或者心跳加速,观察改变了你的状态,这可不属于量子力学的范畴,这是你自己个人的原因。但量子世界与我们这个宏观世界截然不同,量子世界的粒子都处在波函数的叠加态中,充满了不确定性,当我们观察粒子的时候,粒子就会表现出确定性的单量子态,这是怎么回事?什么是量子“观测”?是观察者的出现改变了一切?让我们从这两个经典、古怪的量子实验说起。
是波还是粒子
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t0179e0b95ba95fb5b9.png?size=646x375)
首先是杨氏双缝干涉实验。很长一段时间以来,由牛顿主导的“粒子说”一直统治着人们对光的认识,这里说的“粒子”和我们现在说的粒子不同,牛顿说的“粒子”是真真切切的实物粒子,就像石子或者沙子,任何你能想到的微小颗粒!
微小实物粒子的行为与波浪(如水波)不同。如果我们抓起一把石子向一个有双狭缝的屏幕扔过去,显而易见大多数的石子都会被屏幕挡住。但是在裂缝的位置,会有那么几颗石子有幸穿过去。结果就是通过狭缝我们会得到两堆石子,一堆来自左边的狭缝,另外一堆来自右边的狭缝!
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01a8d5744e900938bd.jpg?size=746x322)
这就是实物粒子的行为,不管你扔多少次,也不管你扔的时候有没有观察这些石子,都会得到这样的结果:每个狭缝后面各一堆石子。
那么现在我们把石子换成波,最常见的就是水波,也很容易制造。找一个水箱,在一端放置一个波浪发生器,中间也放一个有双狭缝的挡板,这样水波就只能通过两个狭缝向外传播,也相当于创造了两个波源。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t015a7fc5bd23ba1069.jpg?size=2762x788)
而我们会在双缝挡板后面的屏幕上得到一个干涉图样,有波峰(高点)和波谷(低点),以及介于两者之间的暗带。这是一种波的干涉现象,波峰和波谷会互相叠加,也会互相抵消。以上就是波和粒子通过双缝后不同的表现形式,也是确定一个物质(光)是波还是粒子的手段。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t0166ff8c9f6c1ca7bd.png?size=695x348)
在1799年至1801年间,托马斯·杨进行了一系列实验就是为了验证光的性质,也就是著名的杨氏双缝干涉,让光通过两条狭缝,我们就能确定光的行为是像粒子还是像波。这是我们在大学物理入门实验室里做的第一个标准实验,光通过狭缝我们会看到下图中的模式:
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t019b9cf3a46256ed8b.jpg?size=1281x720)
上图可以看到,光通过狭缝后发生了干涉现象。托马斯·杨的实验也就一举奠定了光的波动说。从此人们就认为光是一种波。但是到了20世纪初,光电效应的发现,爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上将光量化为光子,只有这样才能解释光电效应,这似乎又表明光是一个粒子,而不是波,但光也会形成波状的干涉图样,所以事情就变得越来越奇怪了。
粒子的电子变现出了波的性质
在20世纪20年代,物理学家们做了同样的实验,但是这次用的是电子而不是光子。那么实验的结果会发生什么?
科学家在双缝处发射一束电子(从经历β衰变的放射源中获得电子)并在双缝挡板的后面放一个屏幕时,我们会看到什么样的模式?像粒子?像波?
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t0132ae32b9bfe0928f.jpg?size=695x499)
一直被人们认为是粒子的电子,表现出了波的性质,在屏幕上产生了类似于波的干涉图样!这个发现有点太让人匪夷所思了,所以科学家一开始也在想是哪里出了问题,一次性发射一束电子流会不会是电子和电子之间有干扰?所以科学家就一次发送一个电子,看看屏幕上会出现了什么?下图就是不断地发射单个电子后在屏幕上形成地图案。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01f04e02a60e22daf1.jpg?size=1156x3352)
(a) 11、(b) 200、(c) 6000、(d) 40000和(e) 140,000个电子之后,电子通过双狭缝的图案。
不知什么原因,当每个电子通过狭缝时,它们都会与自己发生干涉!不仅是物理学家,我们这时也能想到一个问题:电子究竟是怎样和自己发生干涉地?如果电子是粒子,它们应该像石子或者子弹一样,要么通过一个狭缝,要么通过另一个狭缝。
观测导致了电子表现出了单量子态?
那么每次发射一个电子,它会通过哪个狭缝呢?科学家设置了一个“门”(用光子照射穿过狭缝的电子)来观察每一个电子穿过的狭缝地情况,并且很肯定地发现,电子总是通过一个狭缝或另一个狭缝。当科学家再次观察屏幕上出现的图案时,电子却表现出了粒子的模式,而不是波模式。换句话说,电子似乎知道我们在观察它!
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t019b19139f933ffa23.jpg?size=1414x1000)
上图可以看到单个电子在没有被观察的时候,表现出来波的性质,会同时穿过两个狭缝,并与自己发生干涉;当我们观察电子的时候,电子会表现出粒子的行为,会穿过两个狭缝中的一个,在屏幕上形成两堆电子!
正如物理学家有时所描述的那样,观察的行为会改变结果。这听起来真的很奇怪,但实际上几乎所有的量子系统都是这样建立起来的:事物发展的所有可能结果都处在波状叠加态中,直到你做出关键的“观察”,这会迫使系统给出一个真正的答案。这就是量子世界!
量子纠缠中的叠加态
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t0158c85402f7955fa2.gif?size=1300x1019)
许多粒子都可以创建一个纠缠态,在一个纠缠态的整体系统中自旋为0,例如,±½电子,±1光子等等,在进行测量之前,纠缠态中的每一个粒子都是正态和负态的叠加态。但是,一旦我们“观察”其中一个粒子的属性,我们就会立即知道另一个粒子的相应属性。如果你观察到一个电子得自旋为+½,那么另外一个肯定是-½。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01efde099d4de378ac.jpg?size=832x464)
量子纠缠的现象确实很奇怪,因为就像通过狭缝的电子一样,粒子在叠加状态时的行为与被迫处于确定状态时的行为不同。从理论上讲,两个纠缠在一起的粒子,即使另一个在一光年之外,通过“观察”第一个粒子,确定它的自旋状态,我们就能立即知道另一个粒子的自旋状态;并不需要等一年的光传输信号。
量子纠缠似乎违反在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。也似乎违反了现实的局域性。
这就是爱因斯坦所说的鬼魅般的超距作用,但事实确实是如此。跟爱因斯坦一样,当时很多人对量子纠缠感到困惑,而解决这个问题的方法就是贝尔提出,这也是为什么被称为贝尔定理,我们称之为非局域性现象。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01be3cee125deb46ee.jpg?size=946x562)
观察两个粒子然后分开(a)。将两个粒子纠缠然后分开,每个粒子都处在都处在量子叠加态(b)。然而,观察(c)中的一个粒子,就可以让你瞬间知道另一个的状态!
虽然贝尔定理否定了现在的局域性,但是公平的说,这并没有打破信息传递的光速极限问题。当你测量你的粒子时,离你一光年远的人不会注意到他们的粒子有任何奇怪的地方;只有当你把你的粒子和一光年远的粒子放在一起时,或者从一光年远的地方得到信息,两者都受到光速的限制,你才能观察到两个粒子的状态。
那么什么是量子观察?是我们的观察决定了量子态吗?
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t0181f67d90ea58f17f.png?size=900x567)
与上文中说的正好相反,你是否认为正是因为我们的观察让电子表现出了粒子的状态,让纠缠的粒子表现除了确定的量子态,其实这一切与你无关,与观察者无关。
关于测量和观察的讨论,这其中隐藏了一个真实的真相:为了进行这些观察,我们需要让一个量子粒子与我们试图观察的粒子发生相互作用。如果我们想要进行对量子粒子的特殊测量,我们就需要这种相互作用发生在一定的能量阈值之上!
量子的状态与你或“观察行为”无关;相反,量子的状态与你是否有足够的能量进行相互作用的“观察”有关。换句话说,就是“观察”时会将粒子限制在一个或另一个特定的量子状态中!
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t017cb8abe8501b1730.png?size=750x302)
对于一个“观察”穿过狭缝的电子来说,这意味着强迫电子与光子发生相互作用,而光子可以很好地约束电子的位置,从而让电子确定地穿过一个狭缝。对自旋+1或-1的光子来说,光子的偏振对测量十分敏感,“观测”会对光子的电磁场类型产生敏感的相互作用。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01db18d3c0ffca5e65.jpg?size=823x856)
所以综上所述:观测是一种量子相互作用,它足以决定一个系统的量子态,也属于一种量子行为!
欧钩到2057光的干涉图样为什么是条纹 -
窦索炒13349127675 ______ 双缝干涉是条纹,因为光源是线状的;那个玻璃间的空气间隙干涉也是这个原因.牛顿环就是环状的
欧钩到2057光的双缝干涉说明光的什么特性 -
窦索炒13349127675 ______[答案] 光的波粒二象性 少量光子通过双缝后照片上呈现不规则分布亮点,显示了光的粒子性,大量光子通过双缝后照片上获得了双缝干涉条纹,说明光具有波动性;光子先后依次通过双缝,说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的.
欧钩到2057有关光的干涉、光的衍射、光的偏振、光的颜色、色散……的知识点总结 挑重点 考点 -
窦索炒13349127675 ______ 一、 考情分析 考试大纲 考纲解读 光的干涉、衍射和偏振现象 Ⅰ 光的干涉、衍射现象及条件为Ⅰ级要求的考点,多以选择题形式出现. 二、考点知识梳理 (一)、光的干涉 学科网 1.光的干涉条件:_____________的两光源发出的光在空间相遇...
欧钩到2057光的双缝干涉会产生干涉图样,那光通过单缝会有什么图样? -
窦索炒13349127675 ______[答案] 双缝干涉.(条件:二个光频率,相位差恒定.) 单缝衍射.(条件:缝、孔或障碍物的大小要和光波的波长要接近.)
欧钩到2057高三物理光的干涉讲解 -
窦索炒13349127675 ______ 不知道你们要求到什么程度,根据自己理解,简单扼要说一下.1两束光有固定位相差,并且有同方向分量,该方向即可发生干涉.2干涉本质是能量在空间的重新分配.3计算干涉强度重点是计算相位差,(初始相位差+光程差引起的相位差) 总相位差为波长整数倍时相干加强,亮条纹,总相位差为半波长奇数倍时,相干相消,暗纹.
欧钩到2057干涉条纹的特点 -
窦索炒13349127675 ______ 激光放映散斑,早已是老生常谈的问题.前段时间,关于散斑的理论在放映行业中产生了一些分歧.尽管在产品的使用中,实际效果已经告诉客户爸爸们什么样的激光放映技术呈现的效果是看不见散斑的,但是对于一向追求真理的我们,还是想...
欧钩到2057有谁清楚光的干涉与衍射???(物理)
窦索炒13349127675 ______ 光的干涉http://baike.baidu.com/view/40806.htm 光的衍射http://baike.baidu.com/view/56145.htm 这是百度百科上的资料
欧钩到2057光的干涉的原理是什么?和相位差有什么关系?发生干涉有什么要求? -
窦索炒13349127675 ______[答案] (1)双缝干涉 两个独立的光源发出的光不是相干光,双缝干涉的装置使一束光通过双缝后变为两束相干光,在光屏上相通形成稳定的干涉条纹. 在双缝干涉实验中,光屏上某点到双缝的路程差为半波长的偶数倍时,该点出现亮条纹;光屏上某点到双...
欧钩到2057关于光的双缝干涉
窦索炒13349127675 ______ 条纹间距正比于双缝和屏之间的距离 加玻璃后虽然光程变长了 但在屏这边看 双缝的像却是被拉近了所以 等效的双缝和屏之间的距离减小 平板玻璃的成像你通过一个小角度入射证明就可以了
欧钩到2057白光的双缝干涉图样中的彩色条纹为什么是紫里红外?衍射图样中也有这种现象吗? -
窦索炒13349127675 ______[答案] 根据Δx=λL/d,可知双缝干涉条纹间距和λ成正比,红光的波长大于紫光,所以红光的条纹间距大即红光宽,呈现出你说的“紫里红外”,单缝衍射也有这种现象.