電磁波的波粒二象性

當年學習電磁波時是作為一種由相互垂直的電場與磁場的震蕩激發出的輻射橫波來學的。盡管這種波是肉眼看不見的，但是它的這種解釋與我們肉眼看得見的如水波這樣的橫波的概念相同，而麥克斯韋給出的電磁波的運動方程也符合波動方程的形式，因此比較容易接受。如我們常在各種關於無線電波（radio waves）的圖示中看到的那樣，我們可以想象出從一個中心點一圈一圈向外擴散出去的球麵波的樣子。

但是當來到了量子力學的時代，我們被告知所有的電磁波，從無線電波（radio waves）到伽馬射線都是具有波粒二象性的光子的遠動，因此原來理解的那種空間連續的物理波就成為了光子幾率波（probability wave）了，這種幾率波聽上去就沒有過去的那種連續的物理波好理解了。以無線電波來說，它不再是那一圈圈向外擴散的球麵連續波，而是其分布具有球麵特性的光子向外輻射，聽起來就不太容易與長期以來通過各種形象的圖示建立起來的無線電波的概念相連接了。

最近得知在Quara網站可以提出各種問題，然後會有各界專業人士回答。我就想到要將關於如何能完整一致地用光子幾率波的概念來看待所有的電磁波的困惑提出來。但是，Quara要求所有的提問都以簡單（What, how, when）等形式來提出，而不是象寫一般文章一樣先介紹一下基本思路和背景知識再提問，因此在費了一番心思之後，我提出這樣一個問題，“How do the photons of the radio waves pass through the walls when the radio waves penetrate into the building from outside and how are the photons of the radio waves generated during the broadcasting?”我的主要目的並不是要問無線電波如何工作的，而是要以無線電波為例來了解如何能有一個對於電磁波的光子波粒二象性比較完整而明確的解釋。之所以要選無線電波，是因為它的傳播方式與可見光和其它的電磁波的傳播方式不同，如果用光子的波粒二象性把它解釋清楚了，其它的電磁波的光子的量子傳播特性也就比較清楚了。

但意外的是，盡管有好幾個人前來回答，而且從他們的背景來看都是物理係畢業的，有的還是上世紀70年代畢業的，因此都是資深的物理學界人士，但沒有一個人能夠給出一個關於電磁波的光子的能夠解釋從無線電波到伽馬射線的完整統一而又明確的答案。他們都能用經典的電磁波理論來解釋無線電的發射，傳播，和穿透性，對光子的波粒二象性也能給出一般的解釋，卻都不能對我所提出的問題用光子的波粒二象性給出一個滿意的回答。

其中最牛的答案是無線電波之所以能穿透磚牆和木頭而可見光不能是因為磚牆和木頭對於無線電波的光子是透明的而對於可見光的光子是不透明的。他的這個回答當然沒錯，但是否算得上一個明確的回答隻能說是仁者見仁智者見智了。另外還有人說因為無線電波的波長比可見光長，所以當無線電波遇到磚塊或木頭的晶格時，它看不到具體的晶格，所以就這麽過去了，這樣的解釋的後半段基本可以被忽略，而前半段也說不通，因為那無法解釋比可見光波長更短的伽馬射線的穿透性。

而且他們所有人都沒能解釋為什麽可見光的光子不表現出電磁性，而包括無線電波的光子在內的其它的電磁波的光子附近可以測出電磁量來。

其中有一個人雖然沒能給出滿意的答複，卻提供了一個很好的鏈接，那個鏈接講述的是有人已經能夠發射出無線電波（radio wave）的單個光子，並接受到了那單個無線電波的光子的聲音。這就相當於徹底坐實了無線電波就由一個個不連續的光子構成的理論。但是，它這個實驗有一點沒講清楚，那就是他們在監聽那單獨的無線電波光子時是否需要如同在用可見光光子進行實驗時那樣需要在所謂的光子運行的直線途徑上來截取那個無線電波的光子。更確切地說，他們沒有給出如何獲取那個單獨的無線電波光子的詳細的設置。

當然，也有人給出比較離經叛道的解釋，認為無線電波不是光子而是兩個耦合電子。可能因為這種解釋比較容易引起爭議，Quara沒有把它與其它解釋列在一起，而是通過email給了我那個回複的一個單獨的鏈接（盡管都是對我的問題回複）。下麵兩個鏈接的第一個是多數人的回複，第而二個是那個特殊的回複：

1. https://www.quora.com/How-do-the-photons-of-the-radio-waves-pass-through-the-walls-when-the-radio-waves-penetrate-into-the-building-from-outside-and-how-are-the-photons-of-the-radio-waves-generated-during-the-broadcasting
2. https://www.quora.com/How-do-the-photons-of-the-radio-waves-pass-through-the-walls-when-the-radio-waves-penetrate-into-the-building-from-outside-and-how-are-the-photons-of-the-radio-waves-generated-during-the-broadcasting/answer/David-Wrixon-EurIng?__nsrc__=4&__snid3__=17590652237

 

不過，盡管未能從那些人那裏得到一個滿意的答複，我對電磁場的光子的波粒二象性倒是有了一些新的理解---我個人的理解，並非正統的理論：

1）關於無線電波光子與其它電磁波光子的傳播方式的不同：

這可能是由它們的發射機製的不同造成的。所有其它的電磁波的光子都是定向發射，因此它們形成光束（beam）的幾率就高，而無線電波（包括雷達波）的發射機製使得光子有向四周進行球形擴散的可能性，因此無線電波的光子就以球形向四周發散出去。當然，這裏的一個關鍵是那個單個無線電波的光子是如何運行的，如果它的運行方式與其它電磁波的光子的運行方式一樣，那就證明我這裏的理解是正確的了。可惜，那個關於收聽單個無線電波光子信號的鏈接在這一點上沒有說清楚。

2）無線電波的光子的波粒二象性似乎有這樣的特點：在真空和流體中它們表現為粒子性，但一遇到固體晶格時，它們就表現為波動性----當然，這是我個人的感覺，不是課本上的正式理論。

另外，對於無線電波的光子的波粒二象性我還存在著兩個最大的疑問：

1）如果光子的波粒二象性隻是幾率波而不是物理波，那麽如何解釋單個光子在雙縫實驗中會裂解為兩個光子同時通過雙縫的現象？按照幾率波隻能解釋同一個光子出現在不同地方的幾率，而無法解釋同一個光子同時經過兩個地方的現象。

2）為什麽可見光的光子不具有電磁量的表現，而其它的電磁波的光子運動表現出電磁量。

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