量子电动力学的浅层研究详解.docx

量子电动力学的浅层研究：光波动性质的粒子解释电管三班 2014215103刘敬远 2014212904刘坤 2014212921摘要：该文主要探究了量子电动力学（QED）对于光的部分反射现象的概率计算与波动光学中光的等倾干涉之间的些许联系。量子电动力学的介绍主要由刘敬远总结分析，刘坤同学提供了其与波动光学之间联系的想法，并结合两者加以分析。正文：最近在看量子电动力学（以下简称QED）的相关书籍，刚看一两章后就感觉举步维艰，量子物理的世界可以说还是非常不好理解，或用费曼的话来说：“没人真正理解量子物理”。但是在看过QED对于光的一些性质的新奇解释之后，结合之前看过的一些量子物理科普读物以及大学物理课上对经典波动光学的介绍，渐渐有了一些似有似无的共通感。对于光的性质，历史上微粒说和波动说纠缠斗争了足有三个世纪之久，最终终结于光的波粒二象性。或者说，到了光量子或电子的层面，讨论它们本质上到底是什么已经没有意义了，光表现出来的性质取决于观测方式。而QED中虽然承认这样的逻辑关系，但在研究光现象时似乎还是侧重于光的粒子性。“光的行为方式的确很像粒子”费曼这样说。在利用QED的理论解释现象时，光还是从量子的角度以概率形式发射到所有路径，表现出来就是费曼的路径积分，利用时间差和秒表画出大量的概率振幅进行叠加。在利用这种概率振幅的小箭头时，它们表现的有点像光强向量，虽然它们在解释不同的事件。按照徐一鸿的说法，这些小箭头其实就是复数，这一点又很像光波动性中的相位。总的来看，费曼制定的一套规则还是和波动性有着一些共通的理解方式。我们来讨论一些具体的例子：按照我们的常规理解，对于射向玻璃的光线，有一部分会被玻璃反射，而另一部分会透过。垂直入射玻璃的光线，有4%会被玻璃前表面反射回去，还有96%会穿过玻璃前表面。但是光是如何做到这点的呢？每个光子是怎样选择自己是穿过玻璃还是被玻璃反射呢？或许有一些简单的假想可以解释这种现象，比如玻璃的孔斑理论：玻璃表面由96%的小孔和4%的反射性材料斑点组成。但是这种理论在会磨玻璃的牛顿看来也是行不通的。所以我们不能预言单个光子是穿过玻璃还是被反射，我们能做的只是算出大量光子的平均走向即光子的反射概率。所以许多人都说物理学就这样在量子的道路上成为了一门只能计算概率学科了。但我们目前发现似乎自然界只允许我们计算概率。我们先再来看另一个实验。把刚才的厚玻璃换成薄玻璃，我们知道有96%的光子穿过了玻璃前表面，现在他们到达了玻璃后表面，按理来说，在这96%的光子中还会有4%的光子被后表面反射，加上在前表面反射的光子，大约会有占总数8%的光子到达A点。但实际上在我们精心控制的实验中，到达A点的光子数占8%的时候是很少的。有一些玻璃片，它们的反射量只有3%-4%，还有一些在15%-16%，再换其他的玻璃片，甚至都观测不到反射的光子。我们检测了这些玻璃片的质量、均匀度等多项参数，发现反射结果的差异仅取决于玻璃片的厚度。之后我们将玻璃片厚度作为自变量进行了一系列的实验。从尽可能薄的玻璃片开始逐渐换更加厚的玻璃片。我们发现，尽可能薄的玻璃片反射总量几乎为零，随着玻璃片厚度增加，反射总量开始增大，并逐渐接近我们预期的8%，在到达8%对应的玻璃片厚度之后，再继续增加玻璃片厚度，反射总量会超过8%，并逐渐增到16%，之后再增加玻璃片厚度，反射总量则会下降，直到零后再度升高。随着玻璃片越来越厚，部分反射总量会再次增加到16%，然后又会返回到零。这个循环一遍一遍地不断循环。牛顿发现了这种振荡并做了一个实验。只要这个振荡能持续至少34000个循环，他这个实验就能被正确地说明。今天，利用激光，这种振荡可以持续100，000，000以上个循环之后依然很强，这相当于玻璃的厚度达到了50米。这样一来，我们所预测的8%，其实是作为平均值才是正确的。的确，这种两表面的部分反射现象由波动理论解释得很好，但当实验做到以非常微弱的光打到光电倍增管上时，波动理论就垮台了：当光越来越微弱时，光电倍增管的作响声强度不减，只是次数越来越少，这种行为类似于粒子。而现如今，我们还没有一个很好的模型来解释两表面的部分反射，我们只是计算某特定的光电倍增管被一片玻璃反射回来的光子所撞击的概率。所以QED对此并不打算解释光子实际上如何“决定”它们是发射回来还是穿过玻璃，这个问题尚属未知（恐怕这个问题本身就没有意义）。QED只是提供了如何计算光从厚度给定的玻璃片反射的正确概率的方法。QED解释其他现象所用的方法都与这个问题的的方法类似。我们现在规定计算规则，将一个箭头（向量）长度的平方代表事件发生的可能性。例如，在第一个例子中，光子达到A处的概率为4%，与之相对应的箭头长度应为0.2。对于第二个例子，我们用两个箭头分别表示从两个表面反射的光的概率振幅进行向量的合成。到达A处的概率即是合