3．对光本性的再认识——从泰勒实验到独立光束实验

　　1909年， G．I泰勒曾做了一个很奇特的实验①。他先在强光下拍摄了一根细针的衍射像，然后，设法把光束衰减，相应地延长曝光的时间，最长的一次达3个月之久。当他把光束弱到至多一次使一个光子进入仪器时，结果发现，所得到的衍射像与强光短时间条件下得到的完全相同。泰勒实验向人们显示，所谓干涉与衍射并不是像人们通常想的那样，是多个光子同时存在并相互作用下产生的，单个光子也会发生干涉。

　　泰勒实现的“单光子干涉”现象，使人们大惑不解。设想光束打在双缝上实现双光干涉时，一个光子怎么能“部分地”在一缝，同时又“部分地”在另一缝，然后自己与自己发生干涉呢？对这种一个入射光子同时穿过两缝的问题，狄喇克做出了正面回答②。他根据量子理论断言：“每一个光子都部分地进入两束中的每一束，这样，每一个光子只同它自己发生干涉，决不是发生在不同的两个光子之间的干涉……只有光子部分地在一束，部分地在另一束时，才能两束光叠加起来发生干涉。”1970年，狄喇在“科学普及知识”节目和“粒子物理的过去十年”讨论会联合举办的报告会上，还谈起过这一现象。他认为③，对于单个光子的干涉现象，完全可以用几率幅的概念做出回答。

　　几率幅是从量子力学的自身统计特征发展起来的一个概念。在海森伯的量子理论中，表述的基本量是矩阵元，它们通常为复数，不能直接被观察到。但是矩阵元模数的平方则对应一个实数，这个实数决定着微观粒子发射或吸收过程的几率；同样，在薛定谔的波动方程中，波函数也是一个相关变量的复数，它也不能被观察到。然而其模数的平方对应电子在某一位置或具有某一动量的几率。由此，人们看到，在量子理论中，几率总是作为一种量模数的平方出现的，人们称这种量为几率幅。狄喇克曾认为①：“这个几率幅概念，或许是量子论中最基本的概念。”“海森伯和薛定谔的真正天才是发现了几率幅的存在，它很好地隐藏在自然界之中。正是由于它隐藏之深，以前的人们才不能更早地发现量子力学。”几率幅是复数，只有取其模的平方，才能对应微观世界某一事件的几率。狄喇克认为，这同样适用于光现象，他同样在上文中说道：“设想当一束粒子流向着两孔屏射去，当只允许穿过孔的粒子落向另外一块屏上时，每一个粒子穿过每个孔都有一个几率幅，把所有几率幅加起来，就得到一个粒子打在第二块屏某个位置的总几率幅，图面上的干涉图样正是这些几率幅累加起来的结果。”泰勒实验和狄喇克的解释，再一次向人们提出了一个老问题，这就是如何认识光和电子等微观客体的本性。当用量子理论描述这些客体时，什么是最根本的概念，是波粒二象性，还是几率幅？这确实是长久以来，一直纠缠不清的问题。

　　60年代，激光出现后，使这种认识发生意想不到的变化。这一变化始于曼德尔(L.Mandal)等人所做的独立光束干涉实验②。他们用两支脉冲式红宝石激光器作为二独立光源。为保证条纹的可见度，他们采用了光电符合技术，以消除由于环境等影响出现的频率漂移造成的干扰信号，最后获得了条纹可见度为15%的干涉图象。几年之后，经过改进，他们又得到了高度减弱的两支独立激光之间的干涉①。在后一个实验中，经过高度减弱的两束激光，每一束中一次仅有一个光子通过。当一束光中仅存在一个光子时，另一束光中光子存在的几率只有万分之一。这次实验首次实现了独立光源的“单光子干涉”。1971年，拉德罗夫特(W.Radloft)又用另外的方法完成了类似的实验②。在这个实验中，他们以设计极为精巧的自动控制快门的曝光技术，得到了“单光子干涉”的清晰图象。

　　独立光束的“单个光子干涉”发生的是双光干涉，这一实验使人们惊异地看到，当一只激光器发出的光束中，仅有一个光子奔向控测器时，另一只激光器还未发出光子，就已经发生了干涉。然而，当把另一只激光器关掉时，这种干涉就消失了。似乎光子能“预见”与它干涉的光子即将到来，就先发生了作用，或者似乎光子能与“虚无”发生作用。这种现象确实使人不解。两束激光的独立干涉实验所带来的影响是深远的。激光打开了人们的眼界，从中看到了用普通光所看不到的现象。独立光束干涉实验突破了从杨氏干涉实验以来，干涉光必须来自同一光源的限制。这一实验的成功还说明，狄喇克所说的“决不会发生两个光子之间的干涉”不仅是错的，还使人们进一步看到，在处理光的干涉问题时，光子概念似乎是不必要的，甚至是多余的。因为这必然招致光子与“虚无”干涉的荒谬结果。面对这种情况，使人们想到，当把光的微观客体视为光子时，并不意味着它类似于某种微粒，是否几率幅更为恰当？因为，如果放弃了光子是某种微粒而采用几率幅对干涉进行描述时，不仅避免了诸如光子在穿过一个缝的同时，又在穿过另一缝的局面，也能免去光子能与另一个光子的虚无空位发生干涉的问题，并能使干涉的图象更为清晰。

4．光子成串和反成串效应

　　一般认为，发自普通光源不同原子的光子，彼此间在位相上无确定的关系，普通光是量子力学的混沌态。因此，在激光出现以前，人们不可能见到独立光束间的干涉现象。如果说，曼德尔的实验使人们放弃了光是由光子组成的微粒流，放弃了光子干涉描述的话，那么，1956年，在激光问世前，布朗（Brown，R.Han-bury）与退斯（Twiss，R.Q）所完成的光子成串实验①却已经为人们重新认识光子开创了新局面。他们把发自汞灯放电管的光，用半透、半反分光器分为两束，两束相干光分别被两个光电探测器所接收，然后送到一个延时符合电路上计数，测量出一定的时间间隔内，不同延时下所积累的符合计数。本来，无论透射光还是反射光都来自光源中的各个不同的原子，加以延迟后，光子的符合计数本不应再反映两束光的正关联。然而实验结果却出人意料地表现出明显的正关联效应。有人曾对这个实验结果表示怀疑，认为它是违反量子力学原理的。但是玻塞尔（E.M.Pur-cell）却指出②，光子计数的正关联效应，正是热光源光子满足玻色统计的结果。由于这种统计性质，光子不仅不呈现独立事件的随机分布，相反地，它们倒倾向于相互连续地成串出现。他把它称为“光子成串效应”（Photon bunching）。光子成串效应的结果，使它们到达的时间得以接续。后来，还有人证明，利用经典电磁场的涨落机制，也可以引起相干光束强度的正关联。布朗-退斯实验中的光子计数率，正是这种强度涨落平均效应的体现。

　　光子成串效应实验还为人们开辟了一种新的检测手段，这就是利用强度关联光子计数的检测，研究光的高阶相干性质。研究发现，对于一般热光源，光子服从玻色统计。布朗-退斯的实验结果，恰满足量子电动力学的分析结果。运行于高于阈值的激光，处在平均光子数很高的相干态，即一种相位完全确定而粒子数完全不确定的状态，激光的二阶相干度对应零关联；而对粒子数完全确定的状态，则表现为一种负关联，这恰与经典理论的结果相反。它表明，激光强度涨落是一种零关联，光子计数完全是随机排列；而热光相干强度是一种正关联，光子到达的序列比随机情况接续得更为密切；对于具有确定光子数的状态，强度涨落的负关联则意味着光子到达序列比随机情况隔开得更远一些。这些区别，只有根据量子电动力学的理论分析才能得到解释。这一理论认为，激光与热光中光子在统计性质上的差异，可以通过强度关联的光子计数检测出来。然而若按经典理论，无论发自激光，还是发自热光源的光束，只要经过完全相同的聚焦、衰减、过滤、起偏等操作，所得到的光束在强度、频率、偏振等方面，可以做到毫无差异，然而光子成串效应恰恰否定了这一点。光子成串效应所表现出来的高阶相干性质为人类进一步深入认识光的本性，为开辟量子光学的新领域开辟了一条有效的途径。

　　1977年，曼德尔等人在共振荧光实验中，又观测到了光子反成串效应①。他们使用钠原子束，在横向，用可调谐染料激光激发，然后在与原子束和激光束都垂直的方向上，收集钠原子发出的共振荧光。利用布朗-退斯的测量装置，记录不同延迟时间的光子符合计数率。他们把钠原子束流减弱到使原子逐个地通过视场，而每个原子跃迁时，只能辐射一个光子，从而满足了单光子条件。实验的结果表明，在延迟时间τ极小时，光子符合计数率明显地高于τ=0的情况。这一结果被认定为光子反成串效应的初步证据。

　　激光问世以来，以独立光束实验，光子的成串与反成串实验为代表的一系列研究结果表明，对光的量子化描述极为必要。而在量子理论中，几率幅这一概念又具有头等重要的意义，人们正试图应用它来解释这些新的实验成果，并通过量子电动力学理论，扩展并深化对光过程及光本性的研究。保尔（H.Paul）曾明确指出①，“像干涉这一概念，应从传统光学中的干涉条纹或拍频信号的狭小范围中扩展出来，正如通过布朗-退斯实验所看到的，应当把它推广到任何由于不同的几率幅叠加而产生的效应，在这一推广中，人们势必能更深入地认识光的本性。”