量子 ─ 光的波粒二象性

光的波粒二象性

至此，從光電效應和康普頓實驗之後，我們有了光是粒子的描述，但在這之前馬克士威的電磁波理論也很好的證明了雙狹縫的干涉實驗(波動性才有的相位相消特徵)，那麼到底要怎麼理解光是波還是粒子？

1909年，G.I. Taylor 實驗證明即便光強極弱(平均一次只有一顆光子在飛行)，長時間曝光後依然會出現繞射與干涉條紋。這證實了即便是單顆光子也會與自己干涉！

之後的實驗中，如果我們在雙狹縫實驗中遮住其中一孔(或觀測光子走哪一邊)，原本的干涉條紋就會消失，變回單純的粒子分佈。

所以即便是我們認為最好展現波動性的狹縫實驗，在這個case中，反而也幫我們知道也許不能這麼絕對性的判斷。

也許你會說，是不是單顆光子在通過的時候被分成兩個？來解釋光子自己跟自己干涉，但是從能量上去估算卻不符合實驗預期。

而且從之前的公式

\[E=hf\\ E=pc\\ p=\frac{h}{\lambda}\]

可以看出光就是有包含著這兩種特性

• 波動性：f通常用來描述波的頻率，$\lambda$也是波的特性
• 粒子性：p通常用來描述粒子

所以看起來好像能說光的傳播呈現波動性，但和物質反應的時候是粒子性

It seems that wave theory is appropriate for the propagation of light but that quantum theory is needed for the interaction of light with matter.

但這又帶來更多的困惑，那光是怎麼傳傳傳然後碰到某物質之後，”瞬間”就從波動變成粒子性了？

現在說的波粒二象性，都是實驗帶來的結果，有時候就是表現出粒子性，有時候是波動性。 但這並不是說光”就是”波或粒子，波和粒子只是我們目前理解大自然的一種特性和模型。

• 低頻的時候會傾向用wave model
• 光學實驗中wave/particle都可以用(干涉、光電效應)
• 高頻的時候傾向用particle model

與光速恆定的關係

無法真正斷言光是波還是粒子，也許和光速恆定的結果也有關係

• 如果光是波，那麼光速應該相對於某個介質，但我們已經知道沒有乙太了。
• 如果光是粒子，那麼光速應該相對於某個source，狹義相對論已經說光速恆定是因為光的靜止質量為0。

所以這樣看下來，波粒二象性反而給我們的結論是光既不是波也不是粒子。