Saturday, October 20, 2012

physics学习 ■光子自旋为1,为什么只有两个偏振




星期一, 11月 07, 2011

光子自旋为1,为什么只有两个偏振?

光子的自旋为1,相应的在某方向上的投影就应该是+1,0,-1三个,但实际上只有两个+1,-1,相当于光子的两个偏振态(左旋和右旋)。

这个现象可以这样理解:在任意方向来对光进行投影,测自旋,可以有几个值。如果是电子,因为电子有磁矩,可以通过磁相互作用得到电子的磁矩方向进而知道自旋的投影方向;但是光子不行,不过可以用偏振片。光子自旋的理解也可以是如果左旋偏振光相当于电场的方向在逆时针转动,相当于有自旋。

不过对光,并不能从任意方向来测;比较方便的应该是在光的传播方向测。但只有两个投影值,而不是三个。原因是因为光子无静止质量,光的速度是光速。

对这个原因的理解,有个国外的论坛上有讨论http://www.physicsforums.com/archive/index.php/t-41358.html
可以有两种解释:
1.(主要为个人理解)因为光子只有光速,所以没有共动坐标系,而自旋为0的那个必须是在共动系里测得。因为只有在共动系里才能定义出直角,和+1,-1方向垂直的方向上有自旋混合态(也就是光的传播方向的垂直面),以保证虽然在投影方向的自旋为0,但光子的总自旋为1不变。而这个垂直方向只能在共动系里找,因为直角是依赖于观测速度的,所以在任意观测者测到的直角都不是所有人都认同的。但关键是光子没有共动系,所以这个等于0的投影就不存在。
2.上面的解释无论如何还是让人有些不满意的,感觉不能让人完全信服。也有能让人信服的解释,就是数学,不过就不那么直观了。做法就是写出光子的自旋算符(应该类似于电子自旋的泡利算符),然后会发现它只有两个本征值

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