干涉現象是經典波動物理學的基石，托馬斯·楊的雙縫實驗是最著名的例證。屏幕上明暗相間的條紋圖案，被直觀地理解為波的相長和相消疊加：波峰與波峰對齊時增強，產生亮條紋；波峰與波谷相遇時抵消，導致黑暗。這種基于光波動性的優雅解釋塑造了我們幾個世紀以來的理解。然而，隨著量子力學的出現，以及光也表現出粒子性這一認識，引入了一個深刻的問題：這種經典的波動干涉是如何從單個或多個光子的量子行為中產生的？

當考慮到光與物質的相互作用時，這個問題變得尤為突出。在經典理論中，在相消干涉點，電場幅值為零。經典理論會預測在這些零場點不會發生與物質的相互作用。然而，量子力學允許即使在平均場消失的情況下，仍然存在非平凡的動力學過程，這表明僅僅缺乏經典場并不能排除量子相互作用。這種悖論凸顯了光的經典波動描述和量子粒子描述及其與世界相互作用之間的根本性沖突。

發表在PRL題為《Bright and Dark States of Light: The Quantum Origin of Classical Interference》的論文，通過提出經典干涉圖案源于光的集體量子態，特別是通過“亮態”和“暗態”的概念，為解決這一沖突提供了一種引人注目的方案。借鑒在原子系統中觀察到的超輻射和亞輻射現象，研究人員將類似的推理應用于光場本身。

在這種量子框架下，光的經典干涉被解釋為這些集體玻色子態的一種表現。光的亮態和暗態并非簡單的單光子態，而是多模光子數態的糾纏疊加態。這些是光場的集體模式，表現出與物質不同的耦合特性。

這篇論文的關鍵洞察在于“暗態”在解釋相消干涉點中的作用。在經典理論中，相消干涉意味著零場，從而沒有相互作用。量子力學上，論文提出在這些點，光場占據著一個“暗態”。光的暗態是一種狀態，盡管包含光子，但與探測器（可以被視為一種物質形式）解耦或無法激發探測器。因此，在干涉極小值處未探測到光并非意味著根本沒有光子，而是光處于一種集體量子態——一個相對于其耦合機制而言完美的暗態。當光處于這種狀態時，探測器根本“看不見”光。

反之，相長干涉點對應于光場處于“亮態”。這些是與物質強烈耦合的集體態，導致高激發概率，從而在探測器屏幕上產生明亮的信號。這些亮態可以被視為超輻射原子態的光子等價物，其中集體的排列增強了相互作用強度。

這種解釋為協調波動和粒子圖像提供了一種有力的方式。它利用光的粒子性（處于特定量子態的光子）和量子疊加的基本原理，解釋了經典干涉的空間變化強度圖案。干涉圖案的出現是因為在特定位置探測到光子的概率取決于該點的光場是處于亮態（高概率）還是暗態（低或零概率），而這些狀態則由來自干涉路徑的光的疊加決定。

論文中提出的概念并非純粹的理論。研究人員認為這些思想可以在能夠探測光量子態及其與物質相互作用的系統中進行實驗驗證，例如囚禁離子系統或先進的交叉腔量子電動力學裝置。這類實驗可以為這些光的亮態和暗態在形成經典干涉圖案中的存在和作用提供直接證據。

總而言之，這項研究為基礎性的經典現象提供了一種深刻而優雅的量子力學解釋。通過引入光的集體亮態和暗態概念，類似于原子的超輻射和亞輻射，論文論證了熟悉的干涉圖案是如何從光場量子態與探測器的空間依賴性耦合特性中產生的。這項工作不僅加深了我們對光量子本質及其與物質相互作用的理解，也有力地說明了復雜的經典現象如何能夠從量子力學的基本原理中涌現出來，進一步闡明了量子世界與經典世界之間微妙的界限。