这句话正确与否取决于题主对『表现波动性』的理解和定义。

如果『表现波动性』指的是光子所拥有的内禀属性,那题目中那句话就是错的。即使对於单独一个光子来说,波动性也是其内禀属性之一。这一点 @子干 等答主也已经说过了。

如果『表现波动性』指的是在实验中展现出让观察者可以断定其拥有波动性的现象,那么这句话(在大部分情况下)确实是对的。就拿其他答主提到的双缝实验来说。单独一个光子在经过双缝后会在探测器上留下一个单独的点,单纯这个点并不能说明光子具有波动性,只有大量的光子陆续经过双缝并在探测器上留下大量有规律分布的点时,我们才能观察到展现光子波动性的现象。这是因为粒子的波动性涉及到的是统计性质,(在大多数情况下)只有大量事件才能共同展现出清晰的统计性质。


首先说结论:这句话是错误的。

光子的波动性是光子的内禀属性,即使一个光子也存在波动性。

经典的电磁波/光确实是波,存在波的衍射和干涉效应,

这一点在杨氏双缝干涉实验中体现的很明确,如下图所示:

杨氏双缝干涉实验示意图

光源a位于S1平面,屏障S2上开了两个小缝(b和c),以及位于F平面的显示屏。实验结果发现,显示屏的光成条纹状,这个条纹状就是证明(经典)光是波的证据。

在量子力学的发展史上,题主的问题确实被仔细的研究过,其中比较有名的就是电子双缝干涉实验。

1900年,为了解释黑体辐射问题,普朗克提出了电磁波量子化的假设;

1905年,爱因斯坦根据电磁波的量子化假设,提出了光子的概念(Photon),认为光是由光子组成的,光子存在波粒二象性。

1924年,德布罗意把光子的波粒二象性推广到所有的物质,认为所有的物质都具有波粒二象性。

为了验证电子是否真的具有波粒二象性以及这样的波动性质是否是大量电子表现出的统计性质,人们做了著名的电子双缝干涉实验,电子一个一个的发射,结果发现:

电子双缝实验结果

虽然一开始的时候电子的位置比较混乱,没有规律,但是随著实验的电子越来越多,显示屏上的亮点逐渐出现了规律,尤其是最后一张图,出现了很明显的条纹状,这就说明了电子具有波动性,而且单电子也能出现干涉现象。

这个结论对于光子也是正确的。我在哈弗大学的网站上找到了一个比较新的(2013年)实验:

Single Photon Interference?

sciencedemonstrations.fas.harvard.edu图标

下面简单的分享一下这个实验:

左边是一个LED光源(能产生单光子),中间是双缝,右边是相机(探测器),其实跟电子双缝干涉实验基本上是一样的,结果:

曝光0.1s,还看不出什么,一片混乱

曝光0.1s

曝光1s,开始出现一点图案了

曝光1s

经过足够长时间的曝光,120s后,如下图所示:

曝光120s,大约探测到了1千万个光子

这个条纹状已经很明显了。单光子双缝干涉实验和单电子双缝干涉实验的结果基本上是一样的,都呈现出了非常明显的条纹状,这是光子/电子具有波动性的有力证据。

而且,实验中的光子/电子并不是大量发射的,而是一次只发射一个,因此,大量光子/电子才表现出波动性显然是不对的。

当然,为什么是这样,至少在量子力学(量子场论)中有非常明确的解释,简单的说,电子的完整性质包含在电子的波函数中,波函数满足薛定谔方程,其本质上是一个波动方程,因此电子的波函数在双缝后面也会存在干涉现象,而波函数又决定了一个电子出现在某一个位置的概率,总体来看,就出现了电子位置的条纹状分布。(需要明确一点的是,波函数与粒子分布概率相关联,严格的说是量子力学的基本假设之一,而粒子波函数满足薛定谔方程也是基本假设之一,此处不再过多赘述)


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是哇!只有大量光子才表现波动性,因为只有北大副教授口中的爱因斯坦才会用汉语「阿猫阿狗」来形容现在的教科书(用 @驴粪蛋儿 的话讲叫「我告诉你,绝无可能」):

1955年去世的爱因斯坦是怎么知道现在教科书说什么的?他又是上哪学来的汉语辞汇「阿猫阿狗」?

若是当时的教科书,你都说晚年爱因斯坦了,以他的地位和个性,会跟教科书较劲?

雷奕安你咋不说孙杨会抱怨救生圈不好影响他游泳呢?晚年爱因斯坦在意教科书,跟孙杨靠救生圈夺冠差不多扯。

哪怕你不懂爱因斯坦生平,稍懂科研的也知道:学者对主流观点有异见也是去找专业期刊发表论文,怼教科书有个毛用?教科书能像期刊那样及时更新?

毫无科研经验的北大腐败分子,才会恨不得喷「教科书上说的」是「阿猫阿狗」,才会编出如此滑稽搞笑的爱因斯坦:

从未做过科研,照样混上北大教授?

www.zhihu.com图标

Eugene Hecht的《光学》引用过这个「现在教科书是阿猫阿狗」的说法?巧了,敝人恰好有你雷奕安说的这本「更严谨的教材」:

Eugene Hecht和Einstein都不是中国人,怎么你雷奕安嘴里他俩汉语都玩得这么溜呢?

这本书里俺没见著雷奕安的「现在教科书是阿猫阿狗」,倒是一眼就发现了这段话:

雷奕安称整本书「除了非常少的几处,都把光当成波处理」,然鹅这句话居然全是用汉语说的。

现在看看这本书的实照,@卢健龙@寒至@Jason Kennedy@张子立@赵明毅@渣渣健@正树@林博@老熊粑粑@零度君@虫洞疏通航母抛光@张越之@追风不及你 @xi洗具具 就知道真实情况是「除了非常少的几处,雷奕安都没看过这本书」

因为稍懂英语都能看出原著态度明确得很:将光当作粒子的重要性不亚于当作波。要是这能叫「非常少的几处」,那雷奕安说这书里有「现在教科书是阿猫阿狗」算啥?

至此,题主与大家应该很明白「只有大量光子才表现波动性」的意思是啥。这就像「只有冒充爱因斯坦或薛定谔或其他的什么人,北大副教授才敢谈自己刚编的故事」:

北京大学近几年在物理学上有哪些重要发现??

www.zhihu.com图标薛定谔的猫观测者为什么不能是猫本身??

www.zhihu.com图标如何评价北大副教授不惜两次进电影院,指出《流浪地球》的69处不合理之处,并且不让《流浪地球》代表中国??

www.zhihu.com图标

因此,只有大量光子才表现波动性,这句话的正误只要看北京大学副教授怎样瞎编就已经很明确了。要是信了,只证明你的智商不适合考虑这个问题,你的智商适合去北京大学:


当然是错的。许多朋友的回答珠玉在前,我就多加一点:不要说单光子,零光子都可以体现波动性。

举例在谐振腔当中的原子会因为驻波模的存在而更容易发生自发辐射(Purcell效应)。即便这个腔是真空的(零光子)。据此原则上可以观察到谐振腔里的驻波模,从而确认光子波动性,即便一个光子都没有。


错的

单个光子也是具有波动性的,我们所说的波动性表现在会干涉,会衍射,但是单个光子很难看到所谓的干涉衍射图像,所以只有大量粒子你才可以明显地看到有干涉衍射,不严谨的科普情况下,可认为他是对的.( °?° )

而光子具有的粒子性,主要是他有动量的性质,表现在与物质的相互作用,比如碰撞等

补充个cohen的例子:

让光子一个个地通过两条狭缝,一开始光子的分布是随机的,但当通过的光子数量增多时出现了明显的干涉衍射图样,你就更容易能理解波函数的平方是某个位置处的概率,就像抛硬币一样,


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