1 宏观情况下,大数光子的耦合往往会掩盖光子的量子化倾向,表现为经典波。 是否可以认为量子场论中的光子

1 宏观情况下,大数光子的耦合往往会掩盖光子的量子化倾向,表现为经典波。
是否可以认为量子场论中的光子是几率波,这个几率波是什么物理量对空间、时间的函数?是不是和物质波一样只有一个没有明确物理意义的波函数?所谓的耦合是否就是大量光子波干涉叠加,形成宏观的经典电磁波?

2 lz提到的低频电磁波“光子云”,就是普通的经典波而已,其行为与光子的基本性质没什么关系。
我觉得低频电磁波(例如平面单色波)仍然可以看做一束光子组成的光子流吧,每一光子当然没有确定位置,但有可能知道某时刻空间某处某光子出现的概率密度吗?如果可以,则以90%的概率作图以描述某光子的大致运动范围,会得到一个怎样的图像?

澄清几个概念:

一、“光的波粒二象性”中的波(单光子波函数),与作为电磁波的光波,是两个截然不同的概念。昨天回答时,我把这两者混在一起说了。前者是几率波,后者不是。可以说光有两种波动性,第一种波动性是光子的基本性质,第二种波动性是大量光子的集体性质。lz关心的似乎是如何通过前者来得到后者的性质;

二、存在两种干涉:量子干涉与经典干涉。任何微观粒子都有量子干涉效应,它由几率幅的叠加产生,这种干涉是粒子自己与自己的干涉,不是粒子之间的干涉(光子的双缝干涉实验是量子干涉);只有对于波色子的集合才存在经典干涉,因为只有波色子能在同一个量子态集聚大量粒子。这种干涉像经典的波的叠加,由同一量子态的粒子波(从而频率相同满足干涉条件)彼此叠加而成。

三、光子是自然界唯一一种能够稳定存在的波色子,因此电磁波是自然界“很特殊”的现象。电子之类的费米子不能产生经典干涉,决不会出现类似电磁波的现象。电子流不会产生经典波,因为电子与电子之间是非相干的。昨天我把电磁波与声波等类比是不对的,声波是另一个层面的东西。

    现在回答问题。

1.单光子是几率波,它的波函数跟电子之类的费米子的波函数没有原则上的不同(只有自旋项不同),同样是空间、时间的函数,同样满足波函数的几率诠释。大量光子通过经典干涉叠加形成电磁波,经典干涉掩盖了量子干涉;

2.电磁波原则上可以看做是光子流,但光子与光子之间是相干的,这种相干性抹去了光子本身的量子力学性质。因此我觉得电磁波的性质与光子的量子性质没有关系。不过从光子的波函数还是能获得电磁波的很多信息的。如果忽略光子之间的相互作用的话,光子的几率密度可以很简单的算出。下面的公式中r1是光源,源源不断的发射光波,空间任一点r2处的几率幅可以得到(加上一个与位置无关的常数)。与其共轭相乘后,几率密度只与距离有关,与距离的二次方成反比。这正是球面电磁波能量密度随距离的衰减关系。

追问

感谢解惑。
“这种相干性抹去了光子本身的量子力学性质”
请教这句话如何理解?

追答

这句话好像表述的不太恰当,不该用“抹去”这个词的。。。我的意思是,对于低频电磁波,大量光子间的经典干涉非常强大,以至于低频电磁波在宏观上不表现一点量子力学的性质。上文提到忽略光子间的相互作用,其实只有高频电磁波可以这样忽略,对于低频,可以说正是这种相互作用形成了电磁波。
有一个很纠结的问题不知我说明白没。光的波粒二象性到底指的是什么?是低频电磁波表现波性,高频电磁波表现粒子性吗?不能这样说。事实上,应该说是低频光子表现波性,高频光子表现粒子性。波粒二象性完全是一个微观概念,量子力学处理光子的方式只限于微观,量子力学没有修改低频电磁波的理论。量子场论确实修改了,但那只是用来处理极小尺度范围内电磁场与微观粒子的相互作用,不会对宏观电磁波产生影响。

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第1个回答  2012-03-29
阁下学物理学的吧!!!建议去查阅杨福家的《原子物理学》与周世勋的《量子力学教程》也许会有收获!