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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 光子的自旋，偏振,杨氏双缝干涉实验
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wzhiqustc

金虫 (小有名气)

[交流] 光子的自旋，偏振,杨氏双缝干涉实验已有6人参与

光子的自旋，偏振，及其与经典光波偏振的关系；经典光波的干涉条件以及量子力学中杨氏干涉实验解释


我发这个帖子主要是由于以前看到两个帖子对这两个问题的疑问与讨论，现在觉得自己对这些问题的关系理得比较顺了，所以写一下，和大家分享一下：
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=1784257
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=2894165&fpage=0&view=&highlight=&page=1
另外给三个个链接，参看了这个网页上的一些内容：
http://www.nature.com/physics/looking-back/raman2/index.html
http://www1.union.edu/malekis/qm2004/qm_spin.htm
http://physics.stackexchange.com ... re-only-with-itself

光子的自旋与光子的偏振

记得在没有学量子力学之前曾经在不同的书上碰到两种说法，一种是说光子的自旋为1，另一种说法是说光子的自旋态只有两个，当时学过原子物理，觉得这个问题很矛盾。不过也就是纠结了一会儿，之后就忘了。现在感觉理解的好一些了，关系也顺了。光子的自旋为1，至于为什么是1，我想应该是由于实验上测到光子的spin部分的角动量为1h_bar，然后光子又是波色子，因此光子的自旋只能是1。细节没看不是很清楚，可以看看链接1。那么为什么光子只有两个独立的自由度呢，而不是三个。比如说统计物理做统计求和的时候电子由于其自旋要考虑两个不同自旋沿z分量的投影值，而当考虑光子的统计的时候我们用的不是一般的自旋为1的粒子的三个不同的自旋沿z分量的投影值，而是考虑光子有两个独立的极化(polarization)自由度呢? 这是因为光子是相对论性的。它的自旋量子化的方向只能在沿着光子传播的方向，而不像一般的粒子的自旋可以沿不同的方向投影，都得到三个分立的值。因此光子自旋沿其传播方向的投影是一个well-defined的量，这个就是光子的极化/偏振。实验上只观测到极化为+1，-1的光子。极化为0的光子没有观察到。当然应该有理论解释为什么只能观察到两种极化光子，而没有第三种。不过觉得都是数着实验来解释吧。这些理论的细节不是很懂。总之光子的自旋和光子的偏振还是有区别的。

光子的偏振与经典光波的偏振

粗略的讲，可以说光子+1，-1的偏振分别对应于经典光波中的右旋，左旋圆偏振。其它的偏振都是叠加而来的。


经典的杨氏双缝干涉实验与单光子的干涉实验

至于第二个帖子中提到的“而如果我们把这些各种震动方向的光子混合起来，即用一个不相干的光源发射一束光（波长一定，单色的），通过双逢后是否也能在屏上形成与之前一样的干涉条纹？如果不能，就说明光子间存在相互作用使干涉条纹消失了。”这个答案是否定的，不会有干涉条纹出现。

首先说一下经典的干涉实验中的干涉条件和光子的量子性质是自洽的。我们知道这个实验要求想干光，也就是说频率，偏振方向相同，相位差恒定。经典的单色光波基本上可以看做一群的相同光子的状态，他们是全同粒子，不可区分，只能用一个对称化的波函数描述。当两束沿不同的路径到达屏幕上时，由于两群光子先在overlap在一起，如果他们的频率，偏振方向相同，那么这两群光子现在必须作为一整体的全同粒子体系来看待，因此波函数是之前的两群光子的各自的波函数的对称化叠加，而不是简单的相加。概率密度出现交叉干涉项，如果相位差恒定，那么会有稳定的干涉条纹出现。如果两束光频率不同，或是偏振方向不同，他们混合在一起，仍然不是全同光子，它们之间的波函数不能叠加，因为它们是两个不同的东西，虽然都是光子。此时这两束光之间没有干涉。

那么上面讲的两群不同的光子各自会不会由于单光子自身与自身的干涉产生条纹呢，答案是也不会。我的看法是这里面每群光子中的各个光子仍然和自身有干涉，但是前后不同时刻发出的光子在时间尺度上的有相干性。也就是说可以说有干涉条纹，但是这个干涉条纹是随时间变化的，变化周期可以简单算一下，大概是10^(-14)秒，而你仪器相应的时间必须要远小于这个值，这才能保证你能捕捉到近似于某一时刻顺时的干涉条纹。这个实验上目前的水平是远远达不到的。

总之两束想干光想干产生的干涉条纹是不随时间变化的稳定的干涉条纹，而单束单色光中的光子由于时间尺度上的相干性观察不到由于光子与其自身相干产生的干涉条纹，空间上可以观测某点，但是时间尺度上近似观测某一时刻很困难。

但是如果是隔一段时间发一个光子，隔一段时间发一个光子，然后把它们在屏幕上的点放在一起，我们仍然得到干涩条纹，这说明每个光子自身可以自己干涉。这里由于时间上隔得足够远，各个光子之间不再相干，另外我们最后观察的也是将不同时刻的点最后放在一起来看才看到有干涉条纹的。

说了这么多，就是想说这些个实验，这些个条件它们之间是不矛盾的。

PS:如有任何不对的地方，请指正。
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1楼2011-05-12 14:22:09
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msphy

木虫 (小有名气)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
向搂住和楼上学习！

谢谢你们的认真讨论！
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Cogito, ergosum
3楼2011-05-13 09:43:53
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查看全部 16 个回答

janecool

铁杆木虫 (著名写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
光子要一个很神奇的东西，它的许多性质都等待着实验往前发展的继续探索。以前最初的科学家是认为光子自选为0，后来才有实验说光子自选为1，后来就有人问，光子的有自旋为什么没有磁矩，中子也是有自旋为1不带电的粒子，但是却有磁矩，这个问题很好，后来的夸克模型给了一个很满意的回答，因为中子有内部结构，它的组份的价夸克是带电荷的，那是否说很可能光子就是一种基本粒子没有内部结构，但是关于离散世界的观点说质量量子化和现在有物理学者在PRL上指出光子可能有静止质量，而这两种观点是否正确都会给光子的研究更多新的信息和内容...

[ Last edited by janecool on 2011-5-12 at 15:14 ]
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相信会有属于你的精彩
2楼2011-05-12 15:07:41
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孙?�730

至尊木虫 (知名作家)

优秀版主
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
引用回帖:
Originally posted by wzhiqustc at 2011-05-12 14:22:09:
总之两束想干光想干产生的干涉条纹是不随时间变化的稳定的干涉条纹，而单束单色光中的光子由于时间尺度上的相干性观察不到由于光子与其自身相干产生的干涉条纹，空间上可以观测某点，但是时间尺度上近似观测某一时刻很困难。 ...

复制了一下
慢慢推敲

估计这段论述
还是基于绝对时空观的

时间相干性和空间相干性
放到一起写
形成流畅的表达
似乎不太容易

[ Last edited by 孙?�730 on 2011-5-14 at 14:45 ]
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sunyu730_emuch@126.com
4楼2011-05-14 14:44:21
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zhaoshenxx

金虫 (初入文坛)
★
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引用回帖:
Originally posted by wzhiqustc at 2011-05-12 14:22:09:
光子的自旋，偏振，及其与经典光波偏振的关系；经典光波的干涉条件以及量子力学中杨氏干涉实验解释


我发这个帖子主要是由于以前看到两个帖子对这两个问题的疑问与讨论，现在觉得自己对这些问题的关系理得比较 ...

如果两束光频率不同，或是偏振方向不同，他们混合在一起，仍然不是全同光子，它们之间的波函数不能叠加，因为它们是两个不同的东西，虽然都是光子。此时这两束光之间没有干涉。

这段有疑义，如果仅是偏振方向不同，还是有干涉的。
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5楼2011-05-21 10:03:00
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