什麼是波粒二象性?

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光到底是波還是粒子?這在物理學界經歷了長期的爭論。牛頓是微粒說的代表人物,而惠更斯則認為光是機械波。經歷了麥克斯韋、赫茲、托馬斯楊、菲涅耳等人的努力,人們逐漸認識到光是一種電磁波。


但是,科學家赫茲發現了光電效應現象:紫外線照射可以使得鋅板發射電子。

原本大家以為這是個平淡無奇的現象,因為光具有能量,可以將電子撞出。但是,最初人們認為光的能量與光強有關,因此越強的光越容易發生光電效應,但是這個想法卻無法獲得實驗支持。人們發現光電效應是否發生與光的強弱無關,而似乎與光的頻率有關:頻率越大越容易發生光電效應。


為了解釋這個問題,愛因斯坦大膽借用了普朗克的觀點。他認為:光的能量是一份份的,每一份稱為一個光量子,或簡稱光子,光子的能量與頻率的關係也滿足普朗克公式。

比如,紫外線光子的能量就比可見光強,可見光的光子能量又比紅外線強。因此,只有頻率高的光才能將電子撞出。光強並不表示每個光子的能量,而表示光子的個數。愛因斯坦通過這個關係完美解釋了光電效應實驗,並獲得諾貝爾獎。


於是,在愛因斯坦提出了光子學說之後,人們認識到光不光具有波動性,也具有粒子性,於是就稱為波粒二像性。愛因斯坦說:“好像有時我們必須用一套理論,有時候又必須用另一套理論來描述(這些粒子的行為),有時候又必須兩者都用。”


既然電磁波是有粒子性的,那麼粒子是否也有波動性呢?這個想法看似天方夜譚,一個蘋果如何能跟波聯繫到一起?


但是自然界就是這麼神奇,就好像法拉第發現了變化的磁場可以產生電場,麥克斯韋就聯想到變化的電場也能產生磁場一樣,一位年輕的法國學者大膽的預言:不只光具有波粒二象形,實物粒子也有波粒二象性。這就是法國學者路易·維克多·德布羅意。


德布羅意經過長期的思索,得出一個結論:不止是光,所有的物質都具有波粒二象性。物質的粒子性由動量P代表(質量與速度的乘積),波動性由波長λ代表,並且二者的乘積等於普朗克常數h.

比如,一顆子彈質量m=0.1kg, 當它以v=300m/s的速度運動的時候,子彈的動量P=mv=30kgm/s.這樣子彈的波長

這個波長如此之短,任何儀器都無法探測到,但是它是存在的。


在此之前,量子力學教父級人物——丹麥物理學家尼爾斯.波爾在1913年提出了氫原子能量量子化模型。

波爾指出:電子在圍繞氫原子運動時,軌道只能取某些特定的值。這些特定的值滿足量子化條件:

其中m是電子質量, r是電子軌道半徑,v是電子速度,n是一個整數,稱為量子數。h是普朗克常數。

當電子在不同軌道之間躍遷時,氫原子就可以發射光子。波爾通過這個假設成功解釋了氫原子發光現象,並獲得諾貝爾獎。


可是,為什麼氫原子的運動要滿足這個規律呢?1923年,德布羅意在《法國科學院學報》上連續發表了三篇論文,解釋了波爾量子化條件:電子軌道必須使得電子在原子核周圍形成駐波。

所謂駐波,就是指電子的波長必須能夠收尾相接。也就是說,電子軌道周長必須是波長的整數倍。

如果電子的波長與動量的關係滿足λ=h/P,就可以得到與波爾的完全一致的結論了。

要證實一個物理理論,必須通過實驗。既然粒子具有波動性,那麼就應該能表現出波的特點,那就是干涉和衍射。干涉和衍射是指:波通過障礙物時會傳播方向會發生變化,造成障礙物後面出現不同於直線傳播的圖案。例如:雙縫干涉就是光通過兩個縫隙之後,在後面的屏幕上出現明暗相間的條紋。

圓孔衍射就是光通過一個小孔之後在後面的屏幕上形成同心圓環。

干涉和衍射是波特有的,聲波、水波、光波都具有干涉和衍射現象。 那麼要證實物質波的存在,就必須發現粒子的干涉和衍射現象。


終於,科學家GP湯姆孫成功觀測到了電子的圓孔衍射圖樣:將電子通過一個狹窄的縫,電子經過縫之後居然表現出了光的特點——在屏幕上出現了衍射條紋。至此物質波的學說被人們證實了。

那麼,粒子的波動性本質到底是什麼呢?


德國物理學家玻恩提出:粒子的波動性與經典的機械波不同,它並不表示振動形式的傳遞,而是表示粒子存在於各個不同位置的概率。也就是說:微觀世界中的粒子並不一定在某個位置,而是存在一定的概率分佈。在某些地方概率大,在某些地方概率小,用波函數就能描述這種差別。這種解釋稱為哥本哈根詮釋。宏觀物質——例如一個蘋果,也具有波動性,只是由於波長太小,所以人們才會沒有感覺。


現在人們認為:物質的波粒二像性是普遍存在的,但是隻有在微觀世界,討論它才有意義。這是因為在微觀世界,牛頓力學已經失效,必須使用量子力學,量子力學的基礎就是概率與不確定性,而波動性正好可以描述這種性質。


李永樂老師

答:顧名思義,同時具備波的性質又兼具粒子的性質。


愛因斯坦曾這樣描述這一現象:“好像有時我們必須用一套理論,有時候又必須用另一套理論來描述(這些粒子的行為),有時候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難,這種困難迫使我們要藉助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實,兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的,但是合在一起便可以。”

所有的粒子或者說量子同時具備波和粒子的性質。以我們日常生活中常見的光來舉例。

微粒說

科學巨匠牛頓是光的微粒說的堅定支持者,光的微粒說很容易解釋光的直線傳播、反射、色散等現象,此學說也風靡了整個的十七、十八世紀。真正被證實是在愛因斯坦提出光電效應之後,他認為照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出。這個現象稱為光電效應,這種電子稱為光電子。光子像其他粒子一樣具有能量。光電效應證實了光的粒子性。愛因斯坦也因為光電效應獲得了諾貝爾獎。

波動說

光的經典粒子說不再適用,在1807年托馬斯·楊的《自然哲學講義》,第一次描述了雙縫實驗,首次肯定了光的波動性。光的波動說可以很好地解釋光在空間傳播發生的發射、折射、干涉等現象。(所有圖片來源網絡,侵刪)

結語:波粒二象性現在已經被廣泛認同,這是粒子或者說是量子的特有屬性。



黑洞家的鏟屎官

物質的運動是產生波的根本原因,依此,光波是光子產生的就不會有異議了。整個運動過程必是粒子性的,宇宙間沒有無物質的純能量運動;整個運動過程必然形成波動,依此,宇宙空間是波動的海洋。電閃雷鳴,是先有電,還是先有聲波,或是在瞬間同時產生的呢?回答肯定是同時產生的,不同的只是電子速度快,早離開了源點,電子運行距離與空間阻力成反比。從科學的角度看問題,波粒在客觀上是同時產生的,產生後各奔東西,電子在受阻的過程中,在離開源點後有新的電磁波動產生;留下的源點波在源點擴散振動不已,波動距離與電子運行距離有很大差距,且矢向都是垂直的。波動是連續不斷產生的,得系列波動與電子的位置點是相連的,電子軌跡周圍一路都連著波動,只是波動矢量趨向於減弱。電子在運動的全過程中,產生了無窮多的波矢量,依此,量子力學的概率統計就產生了,不確定性原理產生了,疊加態也就產生了,世界虛無的就認為唯心論在客觀上成立了,量子不可克隆就成了真實的了。波動推動著空間物質參與了運動,剛好相反,在虛無的世界裡,唯心論和神秘論就是量子力學的理論了。


蘭天196926837

微觀存在的基本單位,無論是多大,但首先是一個球形的粒子,這是

容不得有一點懷疑的。不過運動是一切事物的存在方式,沒有運動的

存在也就是無。因此粒子的存在也就是運動態的。粒子為點,點動成

線,線因運動力度大小生成曲線為波態,所以曲線也就是粒子的存在

表現。故三維世界一切事物運動的波粒二象性規律相應成立。萬物皆

數,用象數理表現則為37÷333=0•111111……。3為波,1是粒。

注意,這裡的37之7數仄身為V象,諧音維,故用37數代表三維。

用易經衍生的象數思維來解釋波粒二象性就是這麼簡單而自然!


易境2

你用檢測粒子的方法來檢測光,那麼得到的結果光就是粒子;你用檢測波的方法來檢測光,那麼得到的結果光就是波。光是粒子還是波,不是光決定的,而是你的檢測手段決定的。這就是光的波粒二象性。

是不是有點唯心主義?我不接受這樣的物理和世界,我希望我們的宇宙是客觀的。


插瓶師

因為光同時具備粒子和波的特點,就是波粒二象性,至於如何能同做到,目前人類的科學理論無法解釋。只有等弦理論被實驗證實,或者量子力學融合了相對論才能解釋。不過量子力學告訴我們不僅是光,所有的微觀物質都是有這個特點。。這是宇宙的基本屬性,關鍵的問題其實應該是:為什麼我們人類不具有波粒二象性。


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