• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
发表评论  14                

光子不是一个环,也不是一个螺旋

投稿时间:2017-11-18 10:54 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

量子力学建立之初,就在几个科学大卡(包括爱因斯坦与玻尔)之间引起过激烈的争论,其神秘性一直在人类的视野和微观量子之间广布着一层不厚不薄的雾霾,微观粒子的波粒二象性也似隐似现。光子是量子力学研究的主要目标之一,虽然光具有粒子性,但对于光子的微观形态,至今难以准确描述。光子究竟以何种形态在空间传播?在查阅相关文献后,我把它归结为六种形态模型:弹性小球模型、箭头波纹线模型、圆环模型、螺旋模型、坡印亭矢量模型及艾里函数模型,并且我认为光子既不是球,也不是环;既不是简单的波纹线,也不是螺旋。我认为艾里函数与坡印亭矢量应该是,存在于自然光与激光中的两种类似模型中的极端情况。

一、光子不是球,也不是波纹线

对于光子的形状,最早由作为粒子说的创始人的Newton提出,在英国皇家学会的哲学议事录(Royal Society’s Philosophical Transactions)中,他认为光是由极小的弹性小球组成的[1]。但弹性小球说很难解释光在传播中发生的干涉和衍射现象,随后波动说又占了上风。自从黑体辐射和光电效应被发现后,波动说又遇到了困难。为此,爱因斯坦在波粒二象性的基础上提出了光子说,在他1905年的论文中写到:低密度的单色辐射……,其行为仿佛是由相互独立的能量量子组成[2,3],他提出的光的每个量子的能量为E=hv。不过爱因斯坦并没有详细说明他心中的光子的具体形状。此后流行至今的教课书中几乎所有有关光子的图示中,都把光子画成带箭头的波纹线。这种波纹线形的图示虽能形像地表示光子的波粒二象性,但过于简单,难以提示光子深层次的性质。

二、   光子不是一个圆环

有人认为光子是一个圆环[4],其直径就是光子的波长,直径越小,波长越短,频率越高,能量越大。这种思路看似合理,但这样的环形光子,究竟像吸烟人吐出的烟圈还是像地面上滚动的车轮?在行进中光子的电矢量E和磁矢量H是如何变化的,此观点的作者对此无任何说明,我们也无从知悉。

我们认为光子不会是一个圆环。一个环的概念与光子的波列的长度不符。根据现行的光学知识[5],光子是电子在原子中不同能级间跃迁时发射出来的,因此光源发出的光通常都是断续的波列。一个波列持续的时间t非常短,对于普通光源,t<10-8秒,波列的长度L=c×t. 光源的单色性越好,波列越长;谱线越宽,波列越短。例如,钠光灯发射的光波的波列长度约为0.058cm;低气压镉灯发光的波列长度约为40cm;低气压氪灯发光的波列长度约为70cm;单色性比较好的氦-氖激光发射器的激光的波列长度约为105cm(上千米长)。通常波列的长度L与其特征波长λ的平方成正比,与谱线宽度Δλ成反比,即   L=λ2/Δλ.

三、自然光中不存在螺旋状的光子

英文的维基百科在光的自旋角动量(Spin angular momentum of light)词条[6]中,为了解释光子的自旋角动量为+1和-1的两种状态,即,左(L)旋和右(R)旋的旋光性,而把光子绘制成了螺旋形。其实这样的螺旋形光子,在各向同性的均匀介质中传播的自然光中,并不存在,它与多种光学定律描述的光的性质不符。

1、 螺旋形光子与布儒斯特定律不符

布儒斯特(Brewster)于1812年以实验证明:若光以入射角θ穿过折射率分别n1和n2的两种介质的界面,

tg θ = n1/n2         (1)

当θ满足(1)式时,反射光中只有垂直于入射面的线偏振光,而折射光仍为部分偏振光。这一规律称为布儒斯斯特定律,其中的θ叫做起偏角或布儒斯特角。布儒斯特定律表明:光子的电矢量平面并不随光束轴旋转。若这些光子的电矢量是沿光束轴螺旋前进,则布儒斯特定律不能成立。

2、 马吕斯定律(Malus‘s Law)表明光子不是螺旋形

1808年马吕斯根据他的光学实验提出了现在我们熟悉的马吕斯定律,

具有二向色性的晶体,如电气石晶体,能将入射的白光变成两束不同颜色的线偏振光。再如,聚乙烯醇是带有极性基团的长链状高聚物,几乎成链的所有碳原子都有可能成为手性原子。通常在薄膜中其分子是以不同的卷曲度形式随机存在,薄膜的旋光性并不明显。若将聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡,然后经拉伸、烘干,夹在两片玻璃中间,就制得了长链大分子有序排列的人造偏振片。偏振片既可作起偏片,也可作检偏片。

当一束自然光经过第一个偏振片(也称为起偏片)后,我们就可得到一束偏振方向与偏振片的偏振化方向平行的线偏振光,其光强记为I0。此线偏振光再经过第二个偏振片(也称为检偏片)后的透射光的强度为I,两个偏振片的偏振化方向之间的夹角为θ。若不考虑检偏片的吸收作用,马吕斯定律可用下面的(2)式表示;

I=I0 (cos θ)2           (2)

马吕斯定律指出,光线束在各向同性的均匀介质中传播时,光子的电矢量的振动平面保持不变。这也验证了自然光在各向同性的均匀介质中传播时,其光子不是一种螺旋。

3、 立体电影也表明螺旋形光子不存在

空气中的氧气、氮气、未聚合的单分子水气,及少量的二氧化碳或一氧化碳等气体分子,都没有手性对称性。普通光子在空气中传播时,其电矢量平面并不随光束轴旋转。由此人们根据偏振光原理设计出了立体(3D)电影。如果光子是螺旋形,则立体电影肯定不能被发明。

4、螺旋形光子存在的条件

光子只有通过具有手性对称性的介质(旋光物质)时,光子的电矢量平面(偏振面)才发生稍微的偏转,旋转的方向由旋光介质的性质决定。由此许多具有旋光性的有机物被分成两种不同旋光性的对映体,这一性能在生化制药领域及制糖业有着广泛的应用。光子在旋光性物质中的电矢量沿光束轴旋转,但并不是像维基百科中表示的那样,每个波长一定旋转一圈。光子每遇到一个旋光性质点时,所产生的旋转角度很小。在整个光程中旋转的总角度不但与光子的频率有关,主要还与旋光性物质的性质、浓度及通过的距离(样品池厚度)等成线性关系。当光源波长、待测旋光性物质及样品池厚度一定时,旋光度仅与待测样品的浓度成正比。因此,在相关行业常使用旋光仪测旋光性物质的含量。

螺旋形光子的形态,大概在固态的相位波片中方有可能出现。因此,我们认为螺旋形光子是在特殊介质中的一种特殊形态,并不代表光子的普遍情况。也可以说,光子是在经过旋光性物质时,被手性结构的介质质点把它扭曲成了螺旋形。当光子穿过旋光性物质(透过样品池或相位波片)以后,重新进入各向同性的均匀介质时,又会重新恢复其原有的偏振矢量平面。可见,光子的电矢量平面沿光束轴的传播是左旋进还是右旋进,取决于介质中旋光性物质的分子的手性结构。若旋光性物质使偏振光右旋,通常用“d”(拉丁文dextro的缩写)或“+”表示;若是左旋,则用“l” (拉丁文laevo的缩写)或“-”表示。显然,光子的电场或磁场矢量沿光束轴的行进旋转是由旋光性介质决定的,并非光子本身所具有的。

5、偏振光经过比较强的磁场时,也能产生旋光现象,称为磁致旋光现象。

四、坡印亭矢量和艾里函数可能是自然光及激光中光子形态的两种极端

我国文革后的大学无机化学教材中,曾引用坡印亭矢量来表示在传播过程中,电矢量、磁矢量及传播方向之间矢量关系的光子模型,很形像,但不能解释相干光遇到的问题。艾里函数是近几年在激光领域新发展起来的一种具有重要应用价值的光子模型。它可能代表了一种拆纠后的孤狼式的不相干且非衍射、传播过程中能量几乎不损耗的单光子模型。对于相干光或纠缠光,则可用并列同行且相互纠缠的双或多坡印亭-艾里波列来描述。关于坡印亭矢量(Poynting vector)及艾里函数光子模型作者将另文专笔讨论。

参考文献:

1、 Newton (1730),query 29, P. 370;

2、 Einstein (1950a), P. 161, my emphasis.

3、 Klaus Hentschel. 2006. Light Quanta: the Maturing of a Concept by Stepwise Accretion of Meaning. Physics and Philosophy—Issn: 1863-7399—2006—ID:006.

4、 韩永全 关于光量子模型的猜想,中国科学院科学智慧火花,2015-08-12.

5、 莫文玲,盛嘉茂. 简明大学物理,上册,北京,北京大学出版社,2005年.

6、 Spin angular momentum of light. From Wikipedia, the free encyclopedia.