一个好奇的观察者的量子力学指南，第2页:粒子熔炉

欢迎回到我们的第二次引导走进量子力学森林!上周，我们看到粒子如何像波一样运动，像粒子一样撞击以及一个粒子如何走多条路径。令人惊讶的是，这是一个被充分探索的量子力学领域——它位于游客中心周围铺设的自然道路上。

这周我想离开铺设的道路和深入到森林，以便谈论粒子如何融合和结合，而在运动。这是一个通常留给物理专业学生的话题;它很少在流行文章中被讨论。但这样做的回报是了解精密激光雷达的工作原理，并看到一项伟大的发明——光梳——走出实验室。所以，让我们去把我们的登山靴弄脏一点——这是值得的。

两个粒子

让我们从一个问题开始:如果粒子像波一样运动，当我重叠两个粒子的路径时会发生什么?或者换一种说法，粒子波只与自己相互作用，还是混合在一起?

我们可以通过修改上周使用的设置在实验室中进行测试。我们不用把一个激光器发出的光分成两条路径，而是用两个单独的激光器来产生进入最后半镀银镜面的光。

我们需要小心我们使用的激光，你的激光笔的质量已经不能胜任任务了。如果你仔细地测量普通激光发出的光，光的颜色和波的相位(当波峰出现时)会四处游走。我们的眼睛无法分辨这种颜色的漂移——激光看起来仍然是红色的——但事实证明，红色的确切颜色是不同的。这是一个金钱和现代技术可以解决的问题——如果我们拿出足够的现金，我们可以购买精确的锁模激光器。多亏了这些，我们可以拥有两个激光器，它们都能发射出具有时间对齐波峰的相同颜色的光子。

当我们将两个高质量激光器发出的光结合在一起时，我们看到了与之前看到的完全相同的条纹图案。两种不同激光产生的粒子波正在相互作用!

那么如果我们再次到达单光子极限会发生什么呢?我们可以把两束激光的强度调得很低，这样我们就能看到光子一次一个出现在屏幕上，就像小彩弹一样。如果速率足够低，那么每次在激光器和屏幕之间只会存在一个光子。当我们进行这个实验时，我们会看到光子一次一个到达屏幕;但是当我们看累积点彩画的时候，我们会看到和上周一样的条纹。再一次，我们看到了单粒子干涉。

我们之前做的所有实验都给出了完全相同的答案。自然界并不关心一个粒子是否与自己相互作用，或者两个粒子是否相互作用——波就是波，粒子波的作用和其他波一样。

但现在我们有了两种精密激光器，我们有了一些新的实验可以尝试。

两种颜色

首先，让我们尝试干扰不同颜色的光子。让我们把其中一个激光器的颜色调得稍微蓝一些(波长更短)。当我们看屏幕时，我们再次看到条纹，但现在条纹慢慢地向旁边走。条纹的出现和它们的运动都很有趣。

首先，我们看到条纹的事实表明，不同能量的粒子仍然相互作用。

第二个观察结果是，条纹图案现在是与时间有关的;条纹走到一边。当我们加大激光之间的颜色差异时，条纹的速度就会加快。听众中的乐手们已经认出了我们看到的节拍模式，但是，在我们解释之前，让我们改进一下实验设置。

如果我们满足于使用窄激光束，我们可以使用棱镜来组合光束。棱镜通常用于分离一束光，并将每种颜色发送到不同的方向，但我们可以向后使用它，并仔细校准使用棱镜将来自两个激光器的光合并成一束。

如果我们观察组合激光束的强度，我们会看到光拍的强度。“虽然每个激光器发出的光都是稳定的，但当它们的光束以略微不同的颜色组合在一起时，产生的光束会从亮到暗发生振荡。音乐家们会通过调音乐器来识别这一点。”当音叉的声音与稍微走调的弦的声音结合在一起时，人们可以听到声音在大声和柔和之间振荡时的“节拍”。拍的速度就是频率的差，把拍的速度调到零(频率差为零)就可以调弦。这里我们看到的是光的情况，拍频就是激光的色差。

当想到乐器弦时，这是有道理的，但当想到光子时，这就相当令人惊讶了。我们从两束稳定的光线开始，但现在光线被分成了明亮和暗淡的时间。当激光的颜色差异变大时(它们是不调谐的)，脉冲变得更快。

判时间

那么，如果我们再次把激光调到很低，会发生什么呢?我们再次看到光子像小彩弹一样一次击中探测器一个。但如果我们仔细观察光子到达的时间，我们会发现这并不是随机的——它们随着节拍准时到达。不管我们把激光调到多低的频率——光子非常稀少，每100拍才会出现一个——但它们总是会随着拍数及时到达。

如果我们把这个实验中的光子到达的时间和上周我们用激光笔看到的条纹进行比较，这个图案会更加有趣。理解双缝实验中发生的事情的一种方法是描绘量子力学的波本性，它引导光子从一边到另一边着陆:彩弹可以击中明亮的区域，而不是黑暗的区域。我们在彩弹到达的双色光束中看到了类似的模式，但现在彩弹在时间上是向前和向后的，只能随着节拍在时间上击中。节拍可以被认为是时间上的条纹。