A-level 物理 (高階物理)/量子行為
到目前為止，我們已經確定光以量子形式傳播，稱為光子，並且這些光子攜帶與頻率成正比的能量。我們還知道光子不是傳統意義上的波或粒子。相反，它們是能量包。它們的行為與經典預期不符。
實際上，光子在傳播時會走所有可能的路徑。如果光子必須從 A 點傳播到 B 點，它將走直線 *和* 迴圈 *和* 經過比鄰星 *和* 走所有其他可能的路徑。這是光子的所謂“量子態”。它在整個空間中擴充套件。
但是，僅僅因為光子可能出現在空間中的任何地方並不意味著它出現在任何給定位置的機率相等。我手中的手電筒發出的光子更有可能擊中我面前的地面，而不是擊中我的後腦勺。但這兩種情況都是可能的。光可以拐彎；只是很少見！
可以透過考慮光子到達空間中任何給定點相對於空間中另一個點的路徑來計算光子出現在空間中任何給定點的機率。考慮的路徑越多，計算的準確性就越高。在執行此操作時，請使用以下步驟
1. 定義光源。
2. 計算光子的頻率。
3. 定義光無法穿過的任何物體。
4. 定義您要考慮的第一個點。
5. 定義從源到所考慮點的路徑集，越多越好。
6. 計算穿越一條路徑所需的時間。
7. 計算這對應於多少個相量旋轉。
8. 畫一個箭頭來表示最終的相量箭頭。
9. 對每條路徑重複步驟 6-8。
10. 將所有相量箭頭首尾相接地加在一起。
11. 將此合相量箭頭的幅度平方，以獲得該點的光強度。將一個旋轉的正方形而不是箭頭來想象可能會有所幫助。
12. 對您要考慮的每個點重複步驟 4-11。您考慮的點越多，您的機率分佈就越精確。
13. 比較所有合強度，以獲得一個 機率分佈，該分佈描述了光子到達一個點而不是另一個點的機率。例如，如果一個點的光強度是另一個點的光強度的兩倍，那麼光子到達第一個點的可能性是第二個點的兩倍。
14. 如果所有要考慮的點都在一個螢幕上，則強度顯示了每個點處光線的相對亮度。
如果我們現在採用這種方法並將其應用於幾種情況，我們發現，在許多情況下，結果類似於將光視為波時獲得的結果，除了我們現在可以將這種想法與光線的可觀察到的“塊狀”性質協調起來，並且可以承認這樣一個事實，即某些光線不會按照某些波規律進行行為的機率是存在的。
這是最簡單的示例。如果我們考慮從 A 點到 B 點的一系列路徑，並計算路徑末端的相量方向，我們得到一個合相量箭頭，它給我們一些 B 點的幅度。由於沒有障礙物，在遠離源的任何點，我們都會得到相同的合幅度。
重要的是要注意，不同的路徑對合幅度的貢獻量不同。更接近兩點之間直線的路徑與合角更平行，而更遠的路徑的方向變化更大，因此傾向於相互抵消。結論：沿直線傳播的光線對合幅度的貢獻最大。
這裡，我們只需要考慮兩條路徑：一條穿過每個縫隙。然後，我們可以計算兩個相量箭頭，將它們加在一起以獲得一個合相量箭頭，並將它的幅度平方以獲得兩條路徑到達點的光強度。當計算這些強度時，它們會給出明暗條紋的圖案，就像波理論預測的那樣。
這種情況與光線沿“直線”傳播時的情況非常相似。唯一的區別是我們考慮了涉及從障礙物上反彈的路徑。結果或多或少相同，但獲得它們所依據的路徑不同。這意味著我們可以對這些不同的路徑得出相同的結論：即大部分合幅度來自入射角等於反射角的鏡面部分。換句話說，光子很可能會像鏡子按照波理論工作那樣工作。
不同的路徑具有不同的長度，因此光子穿越它們所需的時間也不同（這些稱為行程時間）。在右邊的圖中，光子再次穿越所有可能的路徑。但是，行程時間差異最小的路徑的相量箭頭方向差異最小，因此行程時間最小的路徑對合幅度的貢獻最大。這條最短路徑由斯涅耳定律給出。再一次，量子物理學為已經得到一定程度解釋的現象提供了一幅更準確的圖景。
當光子被阻止走所有其他路徑時，就會發生衍射。當光透過小於 1 個波長寬度的縫隙時，就會發生這種情況。結果是，在幅度本應大致相互抵消的地方，它們沒有抵消，因此光線散佈到它通常不會散佈的方向。這解釋了衍射，而不僅僅是能夠觀察和計算發生的事情。