核心概念
光
波
粒子
雷射
引言
您可能聽說過光是由稱為光子的粒子組成的。像光這樣簡單的東西怎麼可能是由粒子組成的呢？物理學家將光描述為粒子和波。事實上，光波的特性是造成許多奇妙效果的原因，例如氣泡表面產生的彩虹色。要看到光表現得像波的戲劇性和令人費解的例子，您只需要三根自動鉛筆芯、一個雷射筆和一個暗室。
背景
聲音是波傳播的一個很好的例子，很像池塘中的漣漪。在這兩種情況下，動能都透過物質傳播，而不會永久性地移動物質中的分子——相反，它使物質經歷壓縮（分子被推到一起）和稀疏（分子分散開來）的階段。想象一下揚聲器內部隨著音樂振動。
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當波相互接觸時，它們會表現出干涉：所有同相的波（同時稀疏或壓縮相同的粒子）會疊加在一起變得更強，而彼此異相的波（例如，一個波試圖稀疏介質中的粒子，而另一個波試圖壓縮相同的粒子）會相互抵消。這就是降噪耳機的工作原理——它們產生一個類似於造成不需要的聲音的波，但原始的稀疏和壓縮相位被翻轉的聲波。這具有減弱冒犯性聲波對空氣分子的影響的效果。因此，當它的能量到達您的耳朵時，您聽到的聲音更像是耳語而不是喊叫——或者飛機引擎的轟鳴聲更像是安靜的嗡嗡聲。
衍射是波的另一個重要特徵：當波遇到小開口時，它們在穿過開口後會擴散開來。在接下來的實驗中，我們將設定兩個狹縫，讓光波有機會在穿過它們時發生衍射。衍射波重疊的不同點應該展示一些建設性和破壞性干涉的酷炫圖案，您將親眼目睹光“相互抵消”的令人費解的效果。
材料
• 三根或更多根自動鉛筆芯（0.5 或 0.7 毫米）
• 雷射筆（紅色就可以，但綠色效果更佳。）
• 暗室
步驟
• 將房間變暗。
• 站在離牆約四英尺的地方。
• 用非慣用手的拇指和食指（如果您是右撇子，則為左手）握住三根鉛筆芯。稍微分開它們，以便在鉛筆芯之間建立兩個微小的間隙。這些將充當您的衍射縫。
• 將雷射照射到您建立的狹縫中，並檢視牆壁上發出的光圖案。你看到了什麼？
• 擺弄鉛筆芯、雷射筆的位置以及您建立的狹縫的寬度。當您一切都正確時，您應該在鉛筆芯後面的牆壁上看到一個清晰的點狀圖案。
• 額外：嘗試使用更多鉛筆芯來建立更多衍射縫。新增更多狹縫如何改變投射到牆壁上的光圖案？
結果和觀察
雷射以平行波的形式發射，這些波是相干的，或彼此同相：所有的波峰和波谷都對齊。這與手電筒發出的光非常不同——光線既不平行也不彼此同相。雷射的波在穿過您製作的狹縫時會發生衍射，從每個狹縫中呈霰彈槍狀擴散開來。這使得它們在重疊時相互干涉。在某些地方，波會發生相長干涉，在牆壁上產生亮點。在另一些地方，波會相互抵消，導致您在光點之間看到的黑暗空間。
如果光只表現出粒子性行為，您將只在牆壁上看到與狹縫位置相對應的兩個點。奇怪的是，艾薩克·牛頓就是這樣理解光的：作為一股粒子流，就像一系列直線投擲的棒球。雙縫實驗提出的問題是，穿過一個孔的“棒球”似乎關心穿過另一個孔的棒球做什麼！在 19 世紀，科學家們認為光一定是波，但在目睹光表現出粒子性行為後，阿爾伯特·愛因斯坦提出光確實可以被描述為粒子（稱為光子）。物理學家馬克斯·普朗克驚慌失措，聲稱，如果科學界接受愛因斯坦的理論，“光理論將被拋回不是幾十年，而是幾個世紀”！但科學家們最終得出結論，光既是粒子（光子）又是波。
將光的波函式視為對應於光子在特定時間和特定地點出現的可能性。這使得更容易理解當光子的波相互干涉時，光子如何被迫到達牆壁上的某些位置。不太直觀的是，即使一次向兩個狹縫發射一個光子，它們在穿過狹縫後仍然表現出相同的波動干涉行為——就好像單個光子能夠同時穿過兩個狹縫，同時仍然到達一個位置！
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