5.3　光的偏振：光子也会思考吗？

波动有横波与纵波之分。纵波的振动方向与传播方向相同，而横波的振动方向与传播方向垂直，横波的这种特性也叫偏振性。图5-2所示为判别横波与纵波的简易装置。横波只有在其振动方向和狭缝方向一致时才能继续传播，否则就被阻碍；而对于纵波来说，狭缝的方位不影响其继续传播。

图5-2　横波与纵波，横波只有在其振动方向和狭缝方向一致时才能继续传播，否则就被阻碍；而对于纵波来说，狭缝的方位不影响其继续传播

我们知道，光就是电磁波。电磁波是交变电场与交变磁场的相互激发与传播。在任一时刻，振动的电场强度矢量E和振动的磁感应强度矢量B都是随时间变化的，它们互相垂直，而且也都与传播方向垂直，所以电磁波是横波，图5-3所示。实际上，电磁波是沿各个不同方向传播的，图中只是沿某一条直线传播的示意图。

图5-3　电磁波沿某一条直线传播的示意图

光既然是横波，就具有偏振性。在研究光的偏振现象时，只需研究电场强度矢量E的振动就行了，所以也可把E矢量的振动称为光的振动。偏振光的范围不仅限于可见光，其他频率的电磁波也有偏振。要想从发射台发射两个频率非常接近的电波时，必须把它们区分开来，一个采用水平方向偏振，另一个则采用垂直方向偏振。用户根据天线的倾斜方向，只接受一种偏振波，就可避免两种信号的混同。

普通光源发出的自然光之所以观察不到偏振性，是因为自然光中包含有各种不同的光，所以包含了所有角度的振动方向。使用偏振片可以将自然光变成偏振光。

常见的偏振片是由梳状长链形结构高分子材料作为基片，浸入碘液中使碘原子整齐地附在分子链上，再将薄膜单向拉伸4～5倍，从而使这些分子平行排列在同一方向上而制成的。偏振片可以将其他方向的光都挡住，只留下某一方向的光通过，大致可以想象成一系列平行的、极窄的狭缝。

现在我们让一束沿垂直方向振动的偏振光照到另一个偏振片上，如果这个偏振片的狭缝也是垂直的，则光能通过；可是如果把偏振片旋转90°，狭缝变成水平的，则光就被挡住了，无法通过（见图5-4和图5-5）。

图5-4　垂直偏振光会被水平偏振片挡住

图5-5　两片水平和垂直的偏振片叠放在一起

现在的问题是，光既然是由一个个光子组成，那么为什么对于同样宽度的狭缝，这一束沿直线传播光子在狭缝垂直时能通过，而狭缝水平时就不能通过呢？如果把光强减弱到每次只发射一个光子，这个光子是如何知道前面的狭缝是水平还是垂直的呢？就像你往铁栅栏里扔石头，栅栏是竖着的就能扔过去，而栅栏是横着的就扔不过去，这难道不奇怪吗？

更不可思议的是，让一束沿垂直方向振动的偏振光照到另一个偏振片上，如果这个偏振片与垂直方向的夹角是45°，那么就正好有一半光能通过，通过后的光的偏振面也旋转了45°（见图5-6）。

图5-6　垂直偏振光会被45°角偏振片挡住一半

一束光的强度可以分为一半，但一个光子是无法分成两半的，对于来到第二个偏振片的光子，它是如何选择自己的道路的呢？是前进，还是被挡住？由什么来决定呢？如果你觉得是大量光子间相互影响，我们可以让垂直偏振光的光子一个一个发射出来，那么当一个光子遇到第二个偏振片时，完全不会受到别的光子的影响，因为它们还没有发射出来。可是当你发射到第100个光子时，你会惊奇地发现通过和没通过第二个偏振片的光子数基本就是50∶50，那么对于每一个光子来说，它是如何决定自己是否应该通过的呢？

更绝的是，如果你把第二个偏振片转成其他角度，光子们会自动计算出应该通过的概率，然后不管你是一个一个发射还是一束一束发射，它们总能按相应的比例通过。它们到底怎么做到的？实在是让人百思不得其解。