怎样证明光既是粒子又是波？

光的双重奏：粒子与波的奇妙共舞

想象一下，你站在海边，看着潮水一浪接着一浪涌来，那是波的律动；再想象一下，你看到沙滩上的贝壳，它们是一个个独立存在的物体，那是粒子的模样。那么，光又是怎样的呢？它看起来像是无影无踪的能量在空间中传播，却又能在某些情况下像子弹一样“打”在物体上。这种既像水波又像弹珠的特性，正是“光的波粒二象性”，是现代物理学最令人着迷的现象之一。

要证明光具有这种“双重性格”，我们需要回顾物理学发展历程中的几个关键实验和理论，它们一步步揭开了光的神秘面纱。

1. 光的波动性：经典电磁理论的胜利

早在17世纪，荷兰物理学家惠更斯就提出光的波动说。他认为光就像水波一样，是由一种看不见的介质——“以太”——传播的微小振动。这个理论在解释光的干涉和衍射现象时表现得尤为出色。

干涉（Interference）： 想象你在水面上同时扔下两个石子，你会看到水波相互叠加，在某些地方波峰遇波峰，波幅变大；在另一些地方波峰遇波谷，波幅抵消。光也一样。19世纪初，托马斯·杨（Thomas Young）著名的“双缝实验”就无可辩驳地证明了光的干涉性。他让一束光通过两条靠得很近的狭缝，然后在后面的屏幕上观察到一个明暗相间的条纹。这个现象只有当光像波一样传播，并且两条缝隙发出的光波相互干涉时才能解释。明条纹是相长干涉（波峰遇波峰），暗条纹是相消干涉（波峰遇波谷）。

衍射（Diffraction）： 当光波遇到障碍物或通过狭小的孔径时，它会发生弯曲，散开到几何阴影区域。这个现象叫做衍射。就像水波绕过石头时会继续向前传播一样，光在通过缝隙后也会“绕”过去。19世纪，菲涅尔（Fresnel）通过光的波动理论，成功地解释了各种复杂的衍射图案，进一步巩固了光的波动性。

到了19世纪末，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了统一电和磁的麦克斯韦方程组，并从中预言了电磁波的存在。他发现光就是一种电磁波，其传播速度与测得的光速完全一致。这无疑是光的波动说最强大的支持。

2. 光的粒子性：量子世界的颠覆

然而，随着科学的深入，一些现象的出现让纯粹的波动说难以解释，特别是那些与能量的“离散性”相关的现象。

黑体辐射（Blackbody Radiation）： 黑体是指能够完全吸收所有入射电磁辐射的物体。根据经典物理学，一个加热的黑体应该会辐射出强度无限大的紫外线，这就是所谓的“紫外灾难”。但实际实验结果与此截然不同，黑体辐射的能量分布在不同频率上呈现出一种特殊的曲线。1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）为了解决这个问题，大胆提出了一个革命性的假设：能量不是连续地传递，而是以一份份“量子”（quanta）的形式一份一份地发射和吸收。他认为，辐射的能量 E 与其频率 ν 的关系是 E = hν，其中 h 是一个称为普朗克常数的微小数值。这个公式在解释黑体辐射时取得了惊人的成功。

光电效应（Photoelectric Effect）： 当光照射到金属表面时，有时会激发出电子，这种现象称为光电效应。经典波动理论认为，光的强度越大，能量就越大，应该更容易激发出电子。但是，实验发现：
只有当光的频率高于某个“阈值频率”时，才会发生光电效应，无论光的强度多大。
一旦频率足够高，即使光很弱，也能立即激发出电子。
激发出电子的动能只与光的频率有关，与光的强度无关。
光强度越大，激发的电子数量越多，但单个电子的能量不会增加。

这些实验结果用光的波动性是无法解释的。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）受到普朗克的启发，提出了光量子假说。他认为，光本身就是由一份份能量子组成的，这些能量子被称为“光子”（photons）。每个光子的能量为 E = hν，其中 h 是普朗克常数，ν 是光的频率。
光照射到金属上时，一个光子将它的全部能量 hν 传递给一个电子。
如果 hν 大于或等于金属逸出功（使电子脱离金属所需的最小能量），电子就会被激发出来。
逸出电子的动能等于光子能量减去逸出功：$K_{max} = hν W_0$。
光强度对应于单位时间内到达金属表面的光子数量。光强度越大，光子越多，激发的电子数量就越多，但单个电子的能量（由光子能量决定）不变。

爱因斯坦的光量子假说完美地解释了光电效应的所有实验细节，这为光的粒子性提供了强有力的证据。

3. 波粒二象性的统一：量子力学的诞生

既然光在干涉衍射时表现出波动性，在光电效应时又表现出粒子性，那么这两种性质是如何统一的呢？

德布罗意设想（De Broglie Hypothesis）： 1924年，法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）大胆地提出了一个更普遍的设想：不仅光具有波粒二象性，所有物质，包括电子、质子等粒子，都应该具有波动性。他提出了一个重要的关系式：粒子的动量 p 与其关联的物质波的波长 λ 的关系是 $λ = h/p$。

电子衍射实验： 德布罗意的设想在1927年得到了实验的证实。戴维森（Davisson）和革末（Germer）以及汤姆孙（G. P. Thomson）分别独立地发现了电子衍射现象。他们让电子束通过一个晶体，然后在屏幕上观察到了与X射线（一种已知的电磁波）衍射类似的明暗相间的条纹。这无可辩驳地证明了电子也具有波动性。

总结：

光的波粒二象性并非意味着光在不同场合“变身”，而是说光具有一套内在的、同时包含这两种性质的描述方式。

在描述光的传播、干涉、衍射等现象时，我们更倾向于将其看作是一种波。 这种波是电磁场在空间中的振动，它具有频率、波长、振幅等波动属性。
在描述光与物质相互作用、能量交换的场合，例如光电效应、康普顿散射（Compton scattering）时，我们更倾向于将其看作是粒子——光子。 光子是能量的量子，具有动量和能量，并且是“不连续”的。

这种“既是粒子又是波”的奇妙性质，是量子力学最核心的观点之一。它告诉我们，微观世界的规律与我们日常经验中的宏观世界有很大的不同。光就像一位多才多艺的艺术家，在不同的舞台上，以最适合的方式展现自己的魅力，既能如水波般温柔地扩散，也能如子弹般精准地撞击。理解光的波粒二象性，就是打开了通往量子世界大门的一把关键钥匙。

网友意见

并不是如同大家想的那么简单。

光是粒子还是波，还是既是粒子又是波？

我们换一种说法说这个事情：

光电效应的探测只是探测到了光的“粒子性”（particlelike）。

衍射和干涉也只是探测到了光的“波动性”(wavelike)。

当然，你现在可以得出一个正确但不完善的小结论：

光在有的实验中可能表现出粒子性，有的实验中表现出波动性，光的粒子性和波动性是依赖实验设备的(apparatus-dependence).

---

而我们证明的要证明的可是光既是粒子又是波！i.e.光在同一实验中既可以表现出波动性又可以表现出粒子性！

再换句话说，有没有直接测量能够说明光可以从“粒子性”过渡到“波动性”？

有的。

See: Entanglement-Enabled Delayed-Choice Experiment,Science,F.Kaise,etc.

---

那我们还是讨论一下呗= =

首先看到一个实验，叫做Wheeler's gedanken experiment，这是一个大学物理水平的实验. 它是这个样子的:

光从左下角进去，通过一个BS1(光学分束器1)分束成两个，然后一束通过一个相位板从a出出射，一束从b处出射.

当在a,b光交汇处放置另一个BS2，随着相位板角度 的变化，光源发出单光子时，两个探测器输出如子图B所示，这等价于一个单光子自干涉实验.表现了光的波动性.

当移除BS2之后，两个探测器显然都会有一半的概率接受到一个光子，如子图C所示，此时是光子的粒子性.

那么我们怎么把光的波动性和粒子性叠加起来呢？我们只要让BS2处于“在”与“不在”的叠加态，或者让他的功能状态收到量子态的调控即可。于是我们考虑构造一个QBS(量子光学分束器),控制这个分束器的东西是偏振的空间取向（量子的）.

这个图的右边的绿框就是一个量子BS，而为了控制偏振取向，光源也换成了纠缠光子源，发出两个纠缠光子，左边的光子是辅助光子（控制光子），右边的光子是实验光子，而受控的是量子BS。

那么现在就可以通过一个EOM(光电相位调制器)来调整“控制光子”的取向角度 ，而由于两个光子是纠缠在一起的，由于纠缠效应，就能等效的控制另一个光子的取向。

而由于PDBS是一个对光子取向依赖的设备，进而整个量子BS都受到了EOM的调控，在合适的 角度，此时QBS的工作状态是处于“起作用”和“不起作用”的叠加态之中的。基于我们对Wheeler实验的理解，粒子性还是波动性是对实验设备性质依赖的，现在实验设备处在叠加态之中了，波、粒性也就叠加起来了。

上图是实验结果:

当 等于0的时候，QBS以概率1处于不工作状态,这个实验探测的是完全的粒子性.

当 等于 时候,QBS以概率1处于工作状态，这个实验探测的是完全的波动性.

至于QBS怎么构造，看图1，是一个PDBS和两个PBS结合，PDBS是：

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所有的图片全部来自原文章:

http://science.sciencemag.org/content/338/6107/637,

我一个公式也没用！！！！

看这类Science文章真的可以让人脑洞打开，赏心悦目。

此外，任何光就是光，既不是经典的粒子也不是经典的波的回答都是= =。。。

因为没有可操作性和实验观测价值的定义或描述，都不是一个学习物理的好同志应该说出来的话。

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