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单光子不能折射只能直来直去

已有 7272 次阅读 2017-4-30 12:08 |系统分类:科普集锦| 光子, 光学, 光线, 单光子, 折射

我的光学科普系列之一

普通玻璃对光线的折射率大约1.5,然而,很多人未必知道:同样波长的单光子,无论穿过任何介质的交界面,都不会产生折射,而是直来直去。

原因何在?难道费马大定律不适用于单光子?

回答这个问题,需要理解折射现象的物理成因。

一般光线,绝不会是单光子,而是或多或少具有一定程度的相干性的,至少体现在各零碎段长度内有相干。为使“老妪能懂”,干脆放弃晦涩的专业术语,不妨这样解释:

形象地说,正是因为光子之间的相干性,使得前后邻近光子之间,形成了“准刚性联接”,当这虚“刚性构件”,斜插介质分界面时,因“侧向作用力”或“侧向相干力”,造成了光线的折射现象。有点像体育竞技中,投掷的标枪落地后的甩尾“折射”斜插入土。

单光子就不存在这种相干力,因而只能直来直去。

单光子很难获得,然而,就算是“足够稀疏的光子串”,稀疏到相邻光子之间相干性可以忽略不计,就不再发生折射现象。

严格来说,单光子直来直去的说法也不严谨,而是随机散射,更贴切的说法就是Compton散射。当众多光子“手牵手”(相干)“过马路”(跨过两介质界面,Compton散射被抑制,折射自然产生了。

康普顿因解释此现象于1927年获得诺贝尔奖,只不过他用的光子为X波段的高能光子,可与电子质量相若。人眼可视光子能量小得多,因而被散射的只能是光子,不像X光子那样,可使电子散射挪窝。

除非绝对真空,否则,单光子或稀疏光子串,即便在均匀介质,也没法走直线。

这个现象的哲学意义:

1、量变达到一定程度,就会引起质变,对应光子密度低到一定程度,就不按折射路径行进;

2、就像人多力量大那样,众聚势,势依众,对应光子多则熵减少、走大道,光子少熵增加、瞎转悠;

3、团结就是力量。相干意味着光子抱团前进,从而开拓出特色路径,散射无可奈何。正如资本家对付无背景的工人容易,碰到工会就屈服;

4、大样本才能客观反映潮流。其实,反射和折射现象,都是大样本光子集体行为的统计结果。孤光子没有统计意义。

光线折射的Snell定律,同样适合其它中性粒子流,如中子流(折射率小于1)和中微子流(折射率大于1),波色子(整数自旋)或费米子(半整数自旋)都行。同理,单个中子,或稀疏中子流,也不会折射,仅能散射;中微子亦然。

费米束流的透镜折射聚焦,面临Pauli不相容的挑战,而波色子束流,例如光线,则无此问题。该前沿课题正是我近期的研究重点。我猜想费米子聚焦后能简并成波色子,如果此魏氏猜想成立,则双中子、四中子、六中子,等偶数组合的零号元素的同位素应该存在。

光线通过引力场时,即便不是经过两介质分界面,也会发生折射,这是受到侧向引力使然。换成单光子,此时也会折射。这也正是天文观察到的星球或黑洞透镜现象的解释。

中微子线通过引力场时,折射效应比光线呈指数级增大,因为中微子好歹有静止质量,而光子静止质量理论值为零,但实际值可能趋于无穷小。可惜,中微子成像,无法用光学仪器观察。现有检测太阳中微子的设施,仅介质就可上万吨,一天也截获不了几颗中微子,唉!

今天,刘华山老师写了一篇博文,批驳了经典折射定律背后的费马大定律的荒谬之处,但他没有认识到相干性才是折射的真实成因。

参考文章:

刘华山:经典折射定律之谬 http://blog.sciencenet.cn/blog-3259351-1052016.html




https://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1052060.html

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