9、光子之间不存在干涉

本论述采用形式逻辑中的三段论推理：大前提—光学双孔效应的量子力学解释表明该实验中光子之间不存在干涉；小前提—所有的量子力学问题全都类同于双孔效应；结论—在量子力学理论体系中光子之间不存在干涉。

首先是大前提—光学双孔效应的量子力学解释表明该实验中光子之间不存在干涉，这点应该没有疑问。所谓光学双孔效应指的是如果用相干光照射双孔，那么投影在其后屏幕上的光强分布将是不均匀的，显示出强弱相间的条纹，采用经典的干涉理论，即分别由双孔分束得到的两束子光波在其后的空间相遇并发生干涉，不仅可以解释这些条纹，而且与实验结果完全符合。在绝大多数科技文献中，一般都不再追究条纹的生成机制，而是在条纹之前冠以干涉并直接称谓干涉条纹。所谓在量子层面上的解释可以将光学双孔效应简单更名为光子双孔效应，指的是目前在技术上已经可以做到相干光(比如激光)的光子由初始光源逐个发射，其间隔长到足以确保当第二个光子发射时，第一个光子已经在屏幕上被捕获。在这样的实验条件下，可以确认的是每一个光子在整个实验过程中，即发射之后直到被捕获之前，都不可能与其它的光子相遇，任何两个光子之间都不可能发生干涉，但是经历长时间的积累，屏幕上却显示出与强光辐照下、也就是极其大量的光子同时发射完全相同的图像，即上述经典光学解释为两束子光波相互干涉而形成的条纹。从量子力学的观点，不涉及光子之间是否存在干涉，光子双孔效应的图像同样可以得到圆满的解释[1，2]，因为与本文没有直接关系所以这里不再重复介绍。

其次是小前提—所有的量子力学问题全都类同于双孔效应，这句话我只是认同和引用，原创出自于近代物理学泰斗，因为对量子力学的杰出贡献而获取 1965 年度诺贝尔物理学奖的费曼先生，他在获奖的当年曾说过：“对于量子力学中的任意其它情况,归根结底,总是能够通过说这句话来得到说明:你记得有两个小孔的实验的情况吗？那是同一回事[3]”。在开始见到费曼先生的这段话时，我也持怀疑的态度，以为他说的过于武断，但是在经历深入调研之后，我只能承认他的阐述无比精辟，如果不是吹毛求疵的话，适用于许多解释不清或解释不对的量子力学难题，包括潘建伟的获奖项目“多光子纠缠和干涉度量学”。这是因为该实验的基本装置离不开半透半反镜，不难判断光子遭遇半透半反镜时的反射或透射，与遭遇两个小孔时从哪个小孔通过，那是同一回事。先前我曾尝试用量子力学方法分析孪生双光子思想实验，最后发现与两个小孔的实验的情况竟然也是同一回事：由正负电子对碰撞湮没产生的孪生双光子，由于自然法则（能量守恒、动量守恒、角动量守恒）的要求，其能量、动量、角动量在数值上必定是相同的，但动量和角动量的方向必定是相反的，如果取某个光子动量的方向为正向，那么其孪生光子动量的方向必定处于反向，反之亦然，就这点而言，也类同于双孔效应[2]。还曾讨论过多孔光学效应的量子描述，借助于双孔效应量子描述的方法和技巧，只不过将其推广到三孔四孔，继而五孔六孔直到七孔，但凡有限数目的孔，都得到与实验结果一致的图像[4]。总而言之，对这个小前提的理解，以我的认识水平，有点近乎于对公理的认识，我未曾见到过对费曼先生这段论述的任何批驳，见到的只是在文献中被不断引用，所以我是信服的，但愿你也相信。

最后就是结论 —在量子力学理论体系中光子之间不存在干涉。只要三段论推理的形式逻辑不发生错误，应该是没有问题的。这里只是从另外的角度，谈论一下认识，我们说光子之间不可能存在干涉，并没有因此而否认光束之间有可能存在干涉，这同样涉及到微观和宏观在认识论上的差别，也符合量变到质变的自然法则。诚如前文所述：“第一，宏观不具备的特征，微观可能具备；第二，宏观具备的特征，微观可能不具备。作为类比，个人认为可以断言：从光波宏观上的偏振状态，并不能自然导致在微观状态下，组成光波的光子也具有同样的偏振状态（博文8）”。对光学双孔效应和光子双孔效应的异同也可以做同样类比：差异之一是光学双孔效应之所以产生干涉，是因为到达双孔的是光波，它由不可计数的光子组成，只要被称作光波，那就一定可以分束，一旦分成了两束子光波，那就有可能产生干涉；光子双孔效应之所以不存在干涉，是因为光子的逐个发射，在整个实验过程中，任何两个光子都不可能相遇，当然不存在干涉。差异之二在于光波有被称作光矢量的物理量，两束子光波各自的光矢量相遇时遵循矢量加法法则获得合成光矢量，在屏幕上最后显示出来的光强正比于合成光矢量的平方；而对于个别的光子，根本就不存在光矢量的概念，虽然在屏幕上也可以显示出光强，但它反映的却是长时间累计光子数密度的分布。总而言之，我们说在量子力学理论体系中光子之间不存在干涉，与我们认可经典力学理论体系中的双孔干涉效应，各自都是确凿无疑的，彼此之间没有实质性矛盾，分别属于两个有联系、也有极大差异的理论体系。

但是对于潘建伟的获奖项目“多光子纠缠和干涉度量学”而言，情况是不一样的。首先，“多光子纠缠和干涉度量学”归属于量子力学理论体系，和经典力学理论体系完全不沾边；其次，“多光子纠缠和干涉度量学”全部概念的基础是光子的纠缠和光子的干涉，按照本文的论证，光子的干涉在量子层面上是不存在的，下文或者再后续的文章，我们将论述光子的纠缠在量子层面上同样也是不存在的。也就是说既没有光子的干涉，也没有光子的纠缠，因此“多光子纠缠和干涉度量学”如同空中阁楼，其结果只能是资深学者指出的那样：“这个多光子纠缠干涉度量学可说一无是处，全盘皆错”（王国文科学网博文：评自然科学一等奖《多光子纠缠干涉度量学》）。

本文就说到这里，之后我仍将尽可能“每次只探讨一个主题，既有利于集中论述，也便于读者有针对性的批评指正，期盼能在相互探讨的过程中抽丝剥茧、去伪存真（博文8）”。

参考文献

[1]姚志欣等, 双孔干涉效应的量子描述. 物理学报, 2007, 56(6):3185−3191

[2] 姚志欣，用归一化的光子态矢函数描述孪生双光子思想实验，Applied Physics应用物理，2012，2，121-133

[3] R.Feynman, TheCharacter of Physical Law.Massachusetts: The M.I.T. Press, 1965: 130

    关洪译. 物理定律的本性. 长沙，湖南科学技术出版社, 2005: 134