核心概念
光
波
粒子
激光
引言
您可能听说过光是由称为光子的粒子组成的。像光这样简单的东西怎么可能是由粒子组成的呢？物理学家将光描述为粒子和波。事实上，光波的特性是造成许多奇妙效果的原因，例如气泡表面产生的彩虹色。要看到光表现得像波的戏剧性和令人费解的例子，您只需要三根自动铅笔芯、一个激光笔和一个暗室。
背景
声音是波传播的一个很好的例子，很像池塘中的涟漪。在这两种情况下，动能都通过物质传播，而不会永久性地移动物质中的分子——相反，它使物质经历压缩（分子被推到一起）和稀疏（分子分散开来）的阶段。想象一下扬声器内部随着音乐振动。
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当波相互接触时，它们会表现出干涉：所有同相的波（同时稀疏或压缩相同的粒子）会叠加在一起变得更强，而彼此异相的波（例如，一个波试图稀疏介质中的粒子，而另一个波试图压缩相同的粒子）会相互抵消。这就是降噪耳机的工作原理——它们产生一个类似于造成不需要的声音的波，但原始的稀疏和压缩相位被翻转的声波。这具有减弱冒犯性声波对空气分子的影响的效果。因此，当它的能量到达您的耳朵时，您听到的声音更像是耳语而不是喊叫——或者飞机引擎的轰鸣声更像是安静的嗡嗡声。
衍射是波的另一个重要特征：当波遇到小开口时，它们在穿过开口后会扩散开来。在接下来的实验中，我们将设置两个狭缝，让光波有机会在穿过它们时发生衍射。衍射波重叠的不同点应该展示一些建设性和破坏性干涉的酷炫图案，您将亲眼目睹光“相互抵消”的令人费解的效果。
材料
• 三根或更多根自动铅笔芯（0.5 或 0.7 毫米）
• 激光笔（红色就可以，但绿色效果更佳。）
• 暗室
步骤
• 将房间变暗。
• 站在离墙约四英尺的地方。
• 用非惯用手的拇指和食指（如果您是右撇子，则为左手）握住三根铅笔芯。稍微分开它们，以便在铅笔芯之间创建两个微小的间隙。这些将充当您的衍射缝。
• 将激光照射到您创建的狭缝中，并查看墙壁上发出的光图案。你看到了什么？
• 摆弄铅笔芯、激光笔的位置以及您创建的狭缝的宽度。当您一切都正确时，您应该在铅笔芯后面的墙壁上看到一个清晰的点状图案。
• 额外：尝试使用更多铅笔芯来创建更多衍射缝。添加更多狭缝如何改变投射到墙壁上的光图案？
结果和观察
激光以平行波的形式发射，这些波是相干的，或彼此同相：所有的波峰和波谷都对齐。这与手电筒发出的光非常不同——光线既不平行也不彼此同相。激光的波在穿过您制作的狭缝时会发生衍射，从每个狭缝中呈霰弹枪状扩散开来。这使得它们在重叠时相互干涉。在某些地方，波会发生相长干涉，在墙壁上产生亮点。在另一些地方，波会相互抵消，导致您在光点之间看到的黑暗空间。
如果光只表现出粒子性行为，您将只在墙壁上看到与狭缝位置相对应的两个点。奇怪的是，艾萨克·牛顿就是这样理解光的：作为一股粒子流，就像一系列直线投掷的棒球。双缝实验提出的问题是，穿过一个孔的“棒球”似乎关心穿过另一个孔的棒球做什么！在 19 世纪，科学家们认为光一定是波，但在目睹光表现出粒子性行为后，阿尔伯特·爱因斯坦提出光确实可以被描述为粒子（称为光子）。物理学家马克斯·普朗克惊慌失措，声称，如果科学界接受爱因斯坦的理论，“光理论将被抛回不是几十年，而是几个世纪”！但科学家们最终得出结论，光既是粒子（光子）又是波。
将光的波函数视为对应于光子在特定时间和特定地点出现的可能性。这使得更容易理解当光子的波相互干涉时，光子如何被迫到达墙壁上的某些位置。不太直观的是，即使一次向两个狭缝发射一个光子，它们在穿过狭缝后仍然表现出相同的波动干涉行为——就好像单个光子能够同时穿过两个狭缝，同时仍然到达一个位置！
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