這句話正確與否取決於題主對『表現波動性』的理解和定義。

如果『表現波動性』指的是光子所擁有的內稟屬性,那題目中那句話就是錯的。即使對於單獨一個光子來說,波動性也是其內稟屬性之一。這一點 @子乾 等答主也已經說過了。

如果『表現波動性』指的是在實驗中展現出讓觀察者可以斷定其擁有波動性的現象,那麼這句話(在大部分情況下)確實是對的。就拿其他答主提到的雙縫實驗來說。單獨一個光子在經過雙縫後會在探測器上留下一個單獨的點,單純這個點並不能說明光子具有波動性,只有大量的光子陸續經過雙縫並在探測器上留下大量有規律分布的點時,我們才能觀察到展現光子波動性的現象。這是因為粒子的波動性涉及到的是統計性質,(在大多數情況下)只有大量事件才能共同展現出清晰的統計性質。


首先說結論:這句話是錯誤的。

光子的波動性是光子的內稟屬性,即使一個光子也存在波動性。

經典的電磁波/光確實是波,存在波的衍射和干涉效應,

這一點在楊氏雙縫干涉實驗中體現的很明確,如下圖所示:

楊氏雙縫干涉實驗示意圖

光源a位於S1平面,屏障S2上開了兩個小縫(b和c),以及位於F平面的顯示屏。實驗結果發現,顯示屏的光成條紋狀,這個條紋狀就是證明(經典)光是波的證據。

在量子力學的發展史上,題主的問題確實被仔細的研究過,其中比較有名的就是電子雙縫干涉實驗。

1900年,為了解釋黑體輻射問題,普朗克提出了電磁波量子化的假設;

1905年,愛因斯坦根據電磁波的量子化假設,提出了光子的概念(Photon),認為光是由光子組成的,光子存在波粒二象性。

1924年,德布羅意把光子的波粒二象性推廣到所有的物質,認為所有的物質都具有波粒二象性。

為了驗證電子是否真的具有波粒二象性以及這樣的波動性質是否是大量電子錶現出的統計性質,人們做了著名的電子雙縫干涉實驗,電子一個一個的發射,結果發現:

電子雙縫實驗結果

雖然一開始的時候電子的位置比較混亂,沒有規律,但是隨著實驗的電子越來越多,顯示屏上的亮點逐漸出現了規律,尤其是最後一張圖,出現了很明顯的條紋狀,這就說明了電子具有波動性,而且單電子也能出現干涉現象。

這個結論對於光子也是正確的。我在哈弗大學的網站上找到了一個比較新的(2013年)實驗:

Single Photon Interference?

sciencedemonstrations.fas.harvard.edu圖標

下面簡單的分享一下這個實驗:

左邊是一個LED光源(能產生單光子),中間是雙縫,右邊是相機(探測器),其實跟電子雙縫干涉實驗基本上是一樣的,結果:

曝光0.1s,還看不出什麼,一片混亂

曝光0.1s

曝光1s,開始出現一點圖案了

曝光1s

經過足夠長時間的曝光,120s後,如下圖所示:

曝光120s,大約探測到了1千萬個光子

這個條紋狀已經很明顯了。單光子雙縫干涉實驗和單電子雙縫干涉實驗的結果基本上是一樣的,都呈現出了非常明顯的條紋狀,這是光子/電子具有波動性的有力證據。

而且,實驗中的光子/電子並不是大量發射的,而是一次只發射一個,因此,大量光子/電子才表現出波動性顯然是不對的。

當然,為什麼是這樣,至少在量子力學(量子場論)中有非常明確的解釋,簡單的說,電子的完整性質包含在電子的波函數中,波函數滿足薛定諤方程,其本質上是一個波動方程,因此電子的波函數在雙縫後面也會存在干涉現象,而波函數又決定了一個電子出現在某一個位置的概率,總體來看,就出現了電子位置的條紋狀分布。(需要明確一點的是,波函數與粒子分布概率相關聯,嚴格的說是量子力學的基本假設之一,而粒子波函數滿足薛定諤方程也是基本假設之一,此處不再過多贅述)


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是哇!只有大量光子才表現波動性,因為只有北大副教授口中的愛因斯坦才會用漢語「阿貓阿狗」來形容現在的教科書(用 @驢糞蛋兒 的話講叫「我告訴你,絕無可能」):

1955年去世的愛因斯坦是怎麼知道現在教科書說什麼的?他又是上哪學來的漢語辭彙「阿貓阿狗」?

若是當時的教科書,你都說晚年愛因斯坦了,以他的地位和個性,會跟教科書較勁?

雷奕安你咋不說孫楊會抱怨救生圈不好影響他游泳呢?晚年愛因斯坦在意教科書,跟孫楊靠救生圈奪冠差不多扯。

哪怕你不懂愛因斯坦生平,稍懂科研的也知道:學者對主流觀點有異見也是去找專業期刊發表論文,懟教科書有個毛用?教科書能像期刊那樣及時更新?

毫無科研經驗的北大腐敗分子,才會恨不得噴「教科書上說的」是「阿貓阿狗」,才會編出如此滑稽搞笑的愛因斯坦:

從未做過科研,照樣混上北大教授?

www.zhihu.com圖標

Eugene Hecht的《光學》引用過這個「現在教科書是阿貓阿狗」的說法?巧了,敝人恰好有你雷奕安說的這本「更嚴謹的教材」:

Eugene Hecht和Einstein都不是中國人,怎麼你雷奕安嘴裡他倆漢語都玩得這麼溜呢?

這本書里俺沒見著雷奕安的「現在教科書是阿貓阿狗」,倒是一眼就發現了這段話:

雷奕安稱整本書「除了非常少的幾處,都把光當成波處理」,然鵝這句話居然全是用漢語說的。

現在看看這本書的實照,@盧健龍@寒至@Jason Kennedy@張子立@趙明毅@渣渣健@正樹@林博@老熊粑粑@零度君@蟲洞疏通航母拋光@張越之@追風不及你 @xi洗具具 就知道真實情況是「除了非常少的幾處,雷奕安都沒看過這本書」

因為稍懂英語都能看出原著態度明確得很:將光當作粒子的重要性不亞於當作波。要是這能叫「非常少的幾處」,那雷奕安說這書里有「現在教科書是阿貓阿狗」算啥?

至此,題主與大家應該很明白「只有大量光子才表現波動性」的意思是啥。這就像「只有冒充愛因斯坦或薛定諤或其他的什麼人,北大副教授才敢談自己剛編的故事」:

北京大學近幾年在物理學上有哪些重要發現??

www.zhihu.com圖標薛定諤的貓觀測者為什麼不能是貓本身??

www.zhihu.com圖標如何評價北大副教授不惜兩次進電影院,指出《流浪地球》的69處不合理之處,並且不讓《流浪地球》代表中國??

www.zhihu.com圖標

因此,只有大量光子才表現波動性,這句話的正誤只要看北京大學副教授怎樣瞎編就已經很明確了。要是信了,只證明你的智商不適合考慮這個問題,你的智商適合去北京大學:


當然是錯的。許多朋友的回答珠玉在前,我就多加一點:不要說單光子,零光子都可以體現波動性。

舉例在諧振腔當中的原子會因為駐波模的存在而更容易發生自發輻射(Purcell效應)。即便這個腔是真空的(零光子)。據此原則上可以觀察到諧振腔里的駐波模,從而確認光子波動性,即便一個光子都沒有。


錯的

單個光子也是具有波動性的,我們所說的波動性表現在會幹涉,會衍射,但是單個光子很難看到所謂的干涉衍射圖像,所以只有大量粒子你才可以明顯地看到有干涉衍射,不嚴謹的科普情況下,可認為他是對的.( °?° )

而光子具有的粒子性,主要是他有動量的性質,表現在與物質的相互作用,比如碰撞等

補充個cohen的例子:

讓光子一個個地通過兩條狹縫,一開始光子的分布是隨機的,但當通過的光子數量增多時出現了明顯的干涉衍射圖樣,你就更容易能理解波函數的平方是某個位置處的概率,就像拋硬幣一樣,


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