03.04 物質的波粒二象性怎樣理解?

赤兔146937091


波粒二象性指所有微觀粒子或者說量子都具備波動和微粒兩種性質。

什麼是波動性?水波就是最常見的波。

波具有波長和頻率,波長就是一個完整波的長度,也是一個完整週期的傳播距離。頻率就是單位時間內完成周期性變化的次數。

為什麼說具有波動性?

我們最長用的判斷方法是波可以用干涉。什麼是干涉呢?頻率相同的兩列波疊加,使某些區域的振動加強,某些區域的振動減弱,而且振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開。這種現象就叫做波的干涉。比如水波的干涉:

光波也可以進行干涉,最著名的實驗:楊氏雙縫干涉。把一束光通過兩個相距很近的夾縫之後就會產生干涉現象,並在後面的擋板上出現明暗相間的條紋,這就是光的干涉現象。因此我們說光是波。

什麼是粒子性?

1887年的時候,赫茲(德國物理學家)發現金屬板在光的照射下會釋放出電子,形成電流,後來愛因斯坦提出了光量子說,解釋這種現象,這就是著名的光電效應。

為啥說光電效應能夠證明光量子的粒子性呢?還得從光電效應的實驗說起。金屬板是否射出電子,與照射光的強度無關,與照射的時間長短也不管,只與光的頻率有關。只要光的頻率高於金屬的極限頻率,及時光線再暗,電子都會瞬時產生,(不超過10^-9秒)。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。

所以光電效應很好的證明了光子的粒子性。

那你可能會問了,是不是可以這樣理解,一個光子具有粒子性,而一束光子具有波動性?

實驗告訴我們這麼理解也是錯的。問題就在於,一個光子也具有波動性,這正是前面說的,波粒二象性是粒子的特性,而粒子群。

上面說的雙縫干涉實驗,如果把光源去掉,我們採用單光子,一個一個的發射,結果讓人會在擋板上產生干涉條紋,這正是難以理解的地方。同理,我們把光子換成電子仍然會得到相同的結果。因此,單光子也滿足波動性。


世界總是如此奇妙,下圖是瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家拍攝出了有史以來第一張光既像波,同時又像粒子流的照片。


媽咪說MommyTalk


本題涉及光的屬性問題。牛頓說,光子是一種粒子;惠更斯說光是一種波;德布魯伊說,光是一種物質波,有波粒二象性;愛因斯坦說,光是一種能量子。

涉及雙縫干涉實驗,尤其是對單光子與但電子的雙縫干涉的各種解釋,多半牽強附會,違背常識判斷與直覺,可謂撲朔迷離。

推及光和微觀粒子的波粒二象性如何統一的問題,可謂認識史上最令人困惑的問題,至今不能說問題已經完全解決。以下是我的解釋。



一,費米子的波粒二象性。

費米子,諸如中微子、電子、質子、中子,皆成橢球型,既有低速進動震盪的波動性,又有光速自旋震盪的橢球性。二象性表現在進動與自旋。嚴格講,費米子是一種獨自旅行的物質波。

廣義地,地球具有波粒二象性。地球繞日運行時,既有進動縱波型的波動性,又有自轉橫波型的橢球性。

二,玻色子的波粒二象性。

玻色子,諸如引力子、光子、虛粒子、介子、膠子,既有橫波震盪的粒子性,又有縱波震盪的波動性。嚴格講,玻色子是一種特定能態的後浪推前浪的真空漣漪,沒有波粒二象性。

虛粒子,是特定能態的玻色子,也叫真空漣漪子。基態虛粒子,既有橫波震盪的量子性,又有縱波震盪的波動性。光子是6.4億個虛粒子的簇合體。



三,單光子的雙縫干涉機制。

光子發生器,是一種電磁振盪的諧振子,其電子軌道角動量,推壓附近的大量真空漣漪,形成第一道波陣面。

真空漣漪,按照後浪推前浪的傳播模式,通過兩個狹縫分佈繼續推壓附近的真空漣漪,形成第二次雙向波陣面,並且相互交集、疊加或共振,最終撞擊在底屏上,留下明暗相間的波紋。

四,單電子的雙縫干涉機制。

電子發射器,也是一種電磁振盪諧振子。由於光電效應,剛出發的準光速旅行的電子,推壓附近的真空漣漪,形成第一次波陣面,通過兩個狹縫,按照後浪推前浪模式,形成第二次波陣面,兩個波陣面相互疊加或共振,留給底屏明暗相間的波紋。


物理新視野


其實所有的微觀粒子都有波粒二象性,只是明顯與否罷了。其實電磁波的傳播子是光子,電磁波的波粒二象性可以理解成光的波粒二象性。

我希望對這個問題有一個較為深入的回答。那麼我們首先要回溯到人們對光的認識

其實在古代文明中,人們就開始思考這個問題,比如古希臘曾經有人認為太陽光就是由微小的原子構成的。當然這是對最早的原子論的一種發揚。

物理上最早論述光的性質便是笛卡爾等人了,他認為光是一種類似於水波的機械波。


但隨後有個名為伽桑狄的數學家提出了光是微粒的學說。這種說法也得到了牛頓的大力發揚,牛頓反對光的波動說。由於他當時在科學界的地位,光的粒子說一度統治了物理界。

但是以胡克和惠更斯為首的人依舊支持光的波動說。波動說在100多年後也得到了托馬斯楊關於光的干涉實驗支持。

到那時為止,人們也很糾結,光如果僅是粒子的,那麼它就不可能有衍射和干涉現象。如果光僅是波,那麼光就可以繞開障礙物,而並非是直線的傳播了。

法拉第隨後提出,光就是一種頻率比較高的電磁波而已。但是這時候關於光到底是粒子還是波還沒有統一的說法。貌似光既有波的性質也有粒子的性質。

但是這個時候學界普遍放棄了牛頓的粒子說,轉而支持波動說。這時的波動學曾一度佔了上風。

舊量子理論的誕生才開創性的解答了這個千年難題

1905年,愛因斯坦藉助了普朗克的量子化概念,把光的粒子性描述為光量子,繼而復活了光的粒子說,但是愛因斯坦所說的光子和牛頓的光粒子學說是不同的。光子是光量子,它沒有靜止質量,不是牛頓認為的:光是由普通的微粒構成。

為了完美解釋光的波動性和粒子性,德布羅意等人開創性的提出了波粒二象性的概念。


這是一個全新的概念,光會顯示出波動性,也會顯示出粒子性。光的波動性體現在頻率和波長上,光的粒子性體現在動量和位置上。

根據哥本哈根學派的解釋,光的波動性和粒子性不能同時被測量出來。測量行為發出的光子會擾動被測量光子的波粒二象性,導致只能體現出粒子性,而喪失波動性。

也可以說,光子的動量和位置不能同時被測量出來,動量測得越準,那麼位置信息就越模糊,反之亦然。


為什麼會出現不確定性呢?海森堡認為這是測量行為的干擾結果。但隨後有理論認為,這可能就是粒子的內稟屬性,測量與否都會存在不確定性。

其實對光的波粒二象性的理解難度主要體現在對不確定性原理的解釋上。這也是科學家需要進一步研究的課題。


科學認識論


答:世面上的關於波粒二象性的解釋可謂盲人摸象,都屬經典的經不起邏輯推敲的自圓其說。哥本哈根詮釋與EPR理論的矛盾至今絲毫沒有緩解。前輩們解決不了,是因為他們的時空觀有錯誤,而後輩們幾乎都不用考慮自己到底是個什麼樣的時空觀就大談特談波粒性。再說了,象這種問題在“頭條”環境下能講得清楚嗎?你想得太輕飄、太天真了。因此,這裡我要毫不客氣地告訴你:你對波粒二象性的振振有詞真的就是在瞎鬼扯!

建議經常在“頭條”侃侃而談的大V、青雲計劃獲獎者們,靜心地、虛心地去看看李瓊超的《整連論》,那是一個原理唯一、邏輯嚴謹的完美的時空體系,那裡涵蓋了你百思不得其解的幾乎所有的你想明確的問題,如果你真心喜歡科學研究的話。顯然,為讀懂大自然,作為人我已盡心盡力了,真的,我也為自己的解答甚感欣慰。

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分類:自然科學-物理學

序號:6472

標題:整體性和連續性具有系統性論

發佈時間:2019.3.27


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春雨201749550


在日常生活中,二象性的現象不勝枚舉。其本質,就是個體與外部環境共同決定了個體的行為。

比如,穿過人群擁擠的鬧市,你所行走的路線是曲折的,受到了雙重影響。

比如,魚🐟在海水🌊遊弋時,也是上下波動的。

比如,人是社會性動物,其日常的行為,除了反映出個人的主觀意志之外,還必須遵守國家的法律,遵循社會道德規範的要求。

比如,一個企業的經營活動,除了要爭取利潤之外,還得盡其社會的義務。

比如,人的認識,除了要反映客觀規律之外,還必須適合人類自己的生理特點。所以,科學是人與自然界的相互作用,科學理論是相對於現有的現象和實驗🧪關於自然界的同構系統。

然而,上述事例所反映的二維性,在物理領域,卻表現的並不是那麼直觀。因為,我們看到或感受到的,只是作為物理對象的物質,而作為物理背景的空間卻是看不見和摸不著的。

這也是為什麼,經典力學只是把空間當作承載物體的幾何框架的原因。經典力學是忽略空間效應的理想物理學。

進入二十世紀,當人類的認識,超出了與人類自身尺度相近的宏觀範圍,發現了許多僅靠物質是無法解釋的現象。於是,人類間接地發現了空間不空,自然界存在著影響物體行為的物理背景。

比如,任何微觀粒子都具有明顯的波動性,表明存在著統一的物理背景。而且,這一物理背景是不連續的,是由離散的量子夠成的物理空間。

以水為例,其對於我們人體來說,是連續的;然而,當物體的體積小於水分子的間距時,就會感受到水的不連續性。如細小的花粉,在水中受到水分子的不對稱碰撞💥,呈現出無規運動。

微觀粒子的半徑小於10-16釐米,而空間量子的間距為2.913x10-14釐米,前者遠小於後者。於是,量子空間對微觀粒子呈現出了不連續性,具體表現為量子對微觀粒子的不對稱碰撞,使後者呈現出無規的波動性。

總之,自然界是一個有機的整體,個體的行為會受到其外部環境的影響,呈現出二維的特性。微觀粒子的波粒二象性,就是上述二維性的具體表現。


淡漠乾坤


所謂波粒二象性指的光的最小單位的性質。我們管光的最小單位叫做光子,波粒二象性說的就是光子具有波粒二象性。光子的波粒二象性是怎麼來的呢?我是這麼看的:點,在我們看來有兩種:一種是數學的點,另一種是物理的點。數學的點隨處都是,它遍佈宇宙空間,而物理的點只在宇宙的物質中存在。我們說,宇宙是大爆炸形成的,意思就是宇宙物質是能量的。我想說的:所謂物理上的點,其實就是能量的點,而能量的點實際就是旋轉著的數學點。在我們看來是兩種的點,實際上是一種,只不過有時我們能看到能量使其旋轉的一面,有時我們能看到它靜止的一面罷了。光子的波粒二象性就是我們觀察到了光子的這兩個反面所得出的結論:當我們被動地觀察光子的時候,作為旋轉的數學點,它表現的是能量,我們說它是粒子;當我們主動地用能量去測量光子的時候,此時的光子相對於能量而言只是一個靜止的數學點,於是我們說它是波。

那個缺德的麥-莫實驗就是設計了一個讓數學點旋轉著穿過窄縫形成波,繼而由能量的點以光子的形式投射在屏幕上的一個坑人的機關,難倒了世人,也難倒了設計者自己。

以上是我的猜測,我不知道科學家們說光是波的時候,是不是為了能觀測到它而消耗了相應的能量;也不知道科學家們說光是粒子的時候,是否就是傻呆呆地在那兒等著光線射入自己的眼睛。


老堪69294438688


以前有個論述。

簡單來講:就是一個事物的運動狀態同時存顯兩種性質。

1、直線運動性

2、自身反應產生的物質的釋放性

其實這一點,所有以直線運動的物體都存在這一兩點特性。只不過他們之間唯一的不同,就是“光子”的前進動力來源於初始的拋射力、相互作用力。而其他物體的前進動力源於能量物質釋放產生的推動力、釋放的物質與物體的相互作用力。

……

2018、6、16


自然科學理論研究者



他鄉雲難掩故鄉月


太極無限分形時空可能是目前的最優回答,這個思路是充分利用了傳統思的文化資源優勢和具大的包容性可以整合一切控制論的阿西貝定理,即控制系統的應對變化的數不得小於被控制系統的變數,這是管理控制論三大定律之一。太極∞分形時空是2003年筆者做《from knowledge cybernetics to fengshui》的基本理論框架,用傳統的頂層設計將太極者無極而生陰陽之母用系統仿真把這句話包括的二個太極生長法則作為分形邏輯發生器產生一個從無極起點至上而下的黃金分形∞空間,而E一無限分形邏輯時空從光子雙縫,單縫單粒試驗從下而上與太極無限分形時空相遇於宏觀頂屋,O或者空。而問題的解答就在O與空上。0對應於粒子而空集對波屬性,(圖片和參考原文隨後)

提醒一下,圖片是三個月前讀到香港大學何女士▽2014遺作時即時把這個東西方方法論的聚會問題記錄了。他們在這十幾年裡發表了近百篇文章,從數論,揚理數學,楊振寧的規範場全面論證,但依然與諾貝爾獎差一步。北漂從2011從《cybernetics of tao》獲控制論大獎的經驗來看他們的框架缺少社會實踐性,是純粹由數字實驗切入,而我的切入點是數千年問傳統思維這部天然圖靈計算機,這個傳統思維唯一可稱理論模型,在知識控制論裡承擔把社會實踐形形色色的觀念進行優化轉換,,故我盡力簡單直切地通過悟空平臺傳給國人。因這問題裡有不止一個大諾貝爾獎,我不想同這裡的老外討論這問題。希望噴子君忍觀事情進展



The way this paradox can be resolved is through the E-infinity algebra of the zero and the empty set [2].

Remember that a one-dimensional Cantor set has both a Menger-Urysohn dimension and a Hausdorff dimension. The random Cantor set has a Menger-Urysohn dimension of 0 while its Hausdorff dimension isf/<font>. It is called the zero set, and El Naschie proposes to identify this zero set with the particle:

dim (particle set) = P(d, d) = P (o, f/<font>) (1)

where d is the Menger-Urysohn dimension and d is the corresponding Hausdorff dimension.

The quantum wave on the other hand, is identified with the empty set, as it is devoid of matter and momentum as it is spread out ultimately over the entire universe:

dim (wave set) = W(d, d) = W (-1, f/<font>) (2)

How does one get to this empty set? You get there by a process of induction as follows.

What is the dimension of a 3D cube boundary? It is clearly an area, i.e., a surface of 2D. That means

3D(cube) – 1 = 2D (surface)

Next, what is the dimension of the boundary of a 2D surface? It is obviously a one-dimensional line.

2D(surface) -1 = 1D (line)

Finally, what is the dimension of the boundary of a line? This is evidently a zero dimensional point

1D(line) – 1 = 0D (point)

By induction, one could write a general expression for the above in the form of:

D(boundary) = n – 1 (3)

where n is the dimension of the geometrical object for which we would like to know the dimension of its boundary. By induction, using this formula, we can derive the boundary of a point:

D(boundary) = D(point) – 1 = 0 – 1 = -1


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