5.3　光的偏振：光子也會思考嗎？

波動有橫波與縱波之分。縱波的振動方向與傳播方向相同，而橫波的振動方向與傳播方向垂直，橫波的這種特性也叫偏振性。圖5-2所示為判別橫波與縱波的簡易裝置。橫波只有在其振動方向和狹縫方向一致時才能繼續傳播，否則就被阻礙；而對于縱波來說，狹縫的方位不影響其繼續傳播。

我們知道，光就是電磁波。電磁波是交變電場與交變磁場的相互激發與傳播。在任一時刻，振動的電場強度矢量E和振動的磁感應強度矢量B都是隨時間變化的，它們互相垂直，而且也都與傳播方向垂直，所以電磁波是橫波，圖5-3所示。實際上，電磁波是沿各個不同方向傳播的，圖中只是沿某一條直線傳播的示意圖。

光既然是橫波，就具有偏振性。在研究光的偏振現象時，只需研究電場強度矢量E的振動就行了，所以也可把E矢量的振動稱為光的振動。偏振光的范圍不僅限于可見光，其他頻率的電磁波也有偏振。要想從發射臺發射兩個頻率非常接近的電波時，必須把它們區分開來，一個采用水平方向偏振，另一個則采用垂直方向偏振。用戶根據天線的傾斜方向，只接受一種偏振波，就可避免兩種信號的混同。

普通光源發出的自然光之所以觀察不到偏振性，是因為自然光中包含有各種不同的光，所以包含了所有角度的振動方向。使用偏振片可以將自然光變成偏振光。

常見的偏振片是由梳狀長鏈形結構高分子材料作為基片，浸入碘液中使碘原子整齊地附在分子鏈上，再將薄膜單向拉伸4～5倍，從而使這些分子平行排列在同一方向上而制成的。偏振片可以將其他方向的光都擋住，只留下某一方向的光通過，大致可以想象成一系列平行的、極窄的狹縫。

現在我們讓一束沿垂直方向振動的偏振光照到另一個偏振片上，如果這個偏振片的狹縫也是垂直的，則光能通過；可是如果把偏振片旋轉90°，狹縫變成水平的，則光就被擋住了，無法通過（見圖5-4和圖5-5）。

現在的問題是，光既然是由一個個光子組成，那么為什么對于同樣寬度的狹縫，這一束沿直線傳播光子在狹縫垂直時能通過，而狹縫水平時就不能通過呢？如果把光強減弱到每次只發射一個光子，這個光子是如何知道前面的狹縫是水平還是垂直的呢？就像你往鐵柵欄里扔石頭，柵欄是豎著的就能扔過去，而柵欄是橫著的就扔不過去，這難道不奇怪嗎？

更不可思議的是，讓一束沿垂直方向振動的偏振光照到另一個偏振片上，如果這個偏振片與垂直方向的夾角是45°，那么就正好有一半光能通過，通過后的光的偏振面也旋轉了45°（見圖5-6）。

一束光的強度可以分為一半，但一個光子是無法分成兩半的，對于來到第二個偏振片的光子，它是如何選擇自己的道路的呢？是前進，還是被擋住？由什么來決定呢？如果你覺得是大量光子間相互影響，我們可以讓垂直偏振光的光子一個一個發射出來，那么當一個光子遇到第二個偏振片時，完全不會受到別的光子的影響，因為它們還沒有發射出來。可是當你發射到第100個光子時，你會驚奇地發現通過和沒通過第二個偏振片的光子數基本就是50∶50，那么對于每一個光子來說，它是如何決定自己是否應該通過的呢？

更絕的是，如果你把第二個偏振片轉成其他角度，光子們會自動計算出應該通過的概率，然后不管你是一個一個發射還是一束一束發射，它們總能按相應的比例通過。它們到底怎么做到的？實在是讓人百思不得其解。