科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

按照經典的麥克斯韋電磁學,光是一種電磁波,是一個交變的電磁場,在真空中的傳播速度是30萬公里每秒,這也是物質傳播速度的極限。

●我們通常所說的光,是指肉眼可見的電磁波,它的波長在380~780奈米之間。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

但是,實際上有些動物可以看到波長更長的電磁波。比如說狗就可以看到一部分紅外線之外的電磁波,所以在一些黑暗的森林裡面,狗會提前發現危險。

但是,純粹用電磁波的理論,有一些物理現象,沒辦法解釋,比如說光電效應。

光照射到金屬上的時候,可以讓金屬釋放出電子,但是電子的發射情況只和光的波長有關,和光照射強度沒有關係。

愛因斯坦因為用量子效率正確的解釋了光電效應,在1921年獲得了諾貝爾獎。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

量子力學對於電磁波的解釋:電磁波是大量光子的統計效應。

光子的能量量子數對應於電磁波的電場分量,而頻率量子數對應於電磁波的磁場分量。

按照量子力學,每一顆光子都有固定的能量,這就好像每一個玻璃球都有固定的大小一樣。

假如有一大堆的玻璃球裝在一個袋子裡面,我們怎麼樣每一次都恰好擠出一個玻璃球呢?

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

那麼,按照這種生活常識中的經驗,邏輯應該是這樣的:控制這個出口的大小,恰好能夠透過一個玻璃球,擠出一個玻璃球以後,立刻關閉這個出口。

發射一個單光子,也可以按照這樣的邏輯。

也就是說,我們恰好讓發射光子的機器,能夠輸出一個光子具備的能量。

光子的能量完全取決於它的波長或頻率,因為光以光速傳播,我們可以用波長的任一頻率來描述它。

光子的能量可以透過普朗克方程是E=h*c/λ=h*f計算得到。

其中:E是光子的能量,h是普朗克常數,c是光速,λ是光子的波長,f是光子的頻率,普朗克常數h=6。6261×1034焦耳。

單光子的能量是很小的,因為普朗克常數非常小。波長為520nm的綠光單光子的能量為2。38ev。

由於單光子含有的能量很小,而且尺度也很小,這就增加了控制上的困難。

我們擠出玻璃球的時候,肉眼可以看到玻璃球,但是我們發射光子時,沒有辦法看到光子的大小,因為你不可能用一束光去觀察光。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

所以,我們發射光子的時候,先控制時間,透過時間控制發射能量,來得到一個單光子。

這也可以用波長來控制,這兩者是等價的。

一個鐳射發射器的功率,除以單光子的功率乘以一秒鐘,就是所需要的時間。這個時間會非常、非常、非常的短暫。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

理論上,用極短時間的鐳射脈衝可以產生單光子。但是也有可能產生多個光子,為了遮蔽掉多餘的光子,會透過一條很窄的縫,讓光場強度在空間上形成弗朗禾費衍射分佈,正對縫的正中間照射到一個量子點,激發原子核外電子。核外電子從高能級向低能級回跳的時候,就會發射出一個光子。

透過縮短鐳射脈衝的時間,並且調整弗朗禾費衍射光場分佈,可以恰好讓一個光子的能量落在正中間的原子激發點位上。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

透過這個原子激發點位發射出來的光子,就是單光子。

相比較於發射一個單光子,檢測一個單光子要容易得多。

讓發射裝置透過一個45度傾斜放置的半反射半透膜,當光子打在這個半反射半透膜上,只有兩種可能性:50%機率穿過,50%機率被反射。

科學家發現了長壽星的秘密,它能夠在黑暗森林裡發現更長的電波

所以,穿越端和反射端不可能同時檢測到光子。

只要每一次的鐳射脈衝,只有一端可以檢測到光子,就證明了這是一個單光子。

這樣我們就得到了一個可以發射單光子的實驗裝置,可以用它來做被稱為很恐怖的量子延遲選擇實驗,以及量子擦除實驗。

頂部