對(duì)波粒二象性的理解

1、量子力學(xué)題目：專題理解：波粒二象性學(xué)生姓名專業(yè)學(xué)號(hào)班級(jí)指導(dǎo)教師成績工程技術(shù)學(xué)院2016年1月 專題理解：波粒二象性前言：波粒二象性(wave-particleduality)是指某物質(zhì)同時(shí)具備波的特質(zhì)及粒子的特質(zhì)。波粒二象性是量子力學(xué)中的一個(gè)重要概念。在量子力學(xué)里，微觀粒子有時(shí)會(huì)顯示出波動(dòng)性(這時(shí)粒子性較不顯著)，有時(shí)又會(huì)顯示出粒子性(這時(shí)波動(dòng)性較不顯著)，在不同條件下分別表現(xiàn)出波動(dòng)或粒子的性質(zhì)。這種量子行為稱為波粒二象性，是微觀粒子的基本屬性之一。但從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，“微?！焙汀安ā笔窍嗷ヅ懦獾母拍睿蛘哒f“波”與“微?！笔莾煞N截然對(duì)立的存在。一個(gè)東西要么是波，要么是微粒，即“非此即彼

2、”。那么究竟自由理解波粒二象性呢？通過對(duì)量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)以及查閱相關(guān)資料，我對(duì)其有了更深的理解并做了以下整理與總結(jié)。一、波粒二象性理論的發(fā)展簡述較為完全的光理論最早是由克里斯蒂安惠更斯發(fā)展成型，他提出了一種光波動(dòng)說。稍后，艾薩克牛頓提出了光微粒說。光的波動(dòng)性與粒子性的爭論從未平息。十九世紀(jì)早期，托馬斯楊完成的雙縫實(shí)驗(yàn)確切地證實(shí)了光的波動(dòng)性質(zhì)。到了十九世紀(jì)中期，光波動(dòng)說開始主導(dǎo)科學(xué)思潮，因?yàn)樗軌蛘f明偏振現(xiàn)象的機(jī)制，這是光微粒說所不能夠的。同世紀(jì)后期，詹姆斯麥克斯韋將電磁學(xué)的理論加以整合，提出麥克斯韋方程組。應(yīng)用電磁波方程計(jì)算獲得的電磁波波速等于做實(shí)驗(yàn)測量到的光波速度。麥克斯韋于是猜測光波就是

3、電磁波。1888年，海因里希赫茲做實(shí)驗(yàn)發(fā)射并接收到麥克斯韋預(yù)言的電磁波，證實(shí)麥克斯韋的猜測正確無誤。從這時(shí)，光波動(dòng)說開始被廣泛認(rèn)可。為了產(chǎn)生光電效應(yīng)，光頻率必須超過金屬物質(zhì)的特征頻率，稱為其“極限頻率”。根據(jù)光波動(dòng)說，光波的輻照度或波幅對(duì)應(yīng)于所攜帶的能量，因而輻照度很強(qiáng)烈的光束一定能提供更多能量將電子逐出。然而事實(shí)與經(jīng)典理論預(yù)期恰巧相反。1905年，愛因斯坦對(duì)于光電效應(yīng)給出解釋。他將光束描述為一群離散的量子，現(xiàn)稱為光子，而不是連續(xù)性波動(dòng)。從普朗克黑體輻射定律，愛因斯坦推論，組成光束的每一個(gè)光子所擁有的能量等于頻率乘以一個(gè)常數(shù)，即普朗克常數(shù)，他提出了“愛因斯坦光電效應(yīng)方程”。1916年，美國物理

4、學(xué)者羅伯特密立根做實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于光電效應(yīng)的理論。物理學(xué)者被迫承認(rèn)，除了波動(dòng)性質(zhì)以外，光也具有粒子性質(zhì)。/在光具有波粒二象性的啟發(fā)下，法國物理學(xué)家德布羅意在1924年提出一個(gè)“物質(zhì)波”假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都有波粒二象性。他把光子的動(dòng)量與波長的關(guān)系式p=h/入推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m和速度v的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長等于普朗克恒量h跟粒子動(dòng)量mv的比，即入二h/(mv)。這個(gè)關(guān)系式后來就叫做德布羅意公式。根據(jù)德布羅意假說，電子是應(yīng)該會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象。1927年，克林頓戴維森與雷斯特革末設(shè)計(jì)與完成的戴維森-

5、革末實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了德布羅意假說。2015年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家成功拍攝出光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。二、對(duì)波粒二象性的理解微觀粒子既具有波的特性，又具有粒子的特性，那么微觀粒子究竟是什么呢？如何理解微觀粒子的波粒二象性呢？Q丁#首先，讓我們以對(duì)月亮的認(rèn)識(shí)為例作個(gè)類比。月初時(shí)，月亮看來像是鉤子月圓時(shí)，月亮看來像是盤子。其實(shí)，它既不是鉤子也不是盤子，而是像地球一樣的球體。這一點(diǎn)直到”阿波羅”號(hào)載人飛船成功登月以后才得到了確認(rèn)?？梢姡跊]有找到恰當(dāng)?shù)母拍钊ダ斫庑卢F(xiàn)象時(shí)，人們總希望借助舊有的概念去描述它，因而往往難以描述得很確切。丁匕對(duì)微觀粒子的認(rèn)識(shí)也是一樣：它既不是，彈丸，似的粒子，也不是，波

6、浪,似的波。以電子為例，它通過晶體時(shí)產(chǎn)生干涉或衍射現(xiàn)象一一表現(xiàn)出波動(dòng)性（即疊加性）;而當(dāng)它通過威爾遜云室時(shí)又留下徑跡一一表現(xiàn)出粒子性（即整體性）。這就是說，人們要認(rèn)識(shí)肉眼看不到的微觀粒子，只能像，瞎子摸象，一樣用儀器去摸，在某種條件下摸出來的象是波；在另一種條件下摸出來的象是粒子。微觀粒子是新東西，用舊概念去反映它必然會(huì)感到蹩扭，這是不足為奇的。但是，科學(xué)畢竟是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒖陀^的。研究表明：微觀粒子既不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子，它是具有波動(dòng)和粒子雙重特性的第三種客體，是波粒二象性的矛盾統(tǒng)一體。1、物體從宏觀到微觀，即物體由大到小改變時(shí)，量變將導(dǎo)致質(zhì)變一使得微觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用牛頓定律來描述

7、。宏觀物體的運(yùn)動(dòng)具有嚴(yán)格的決定性規(guī)律：“一個(gè)宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或一種宏觀物理現(xiàn)象的變化，只要知道了它的初始條件，原則上就能知道它以后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或變化狀況。一個(gè)宏觀物體可以在任何軌道上被連續(xù)跟蹤。表示宏觀物體各種物理性質(zhì)的物理量原則上都可同時(shí)被確定”。微觀物體的運(yùn)動(dòng)不具有宏觀意義的決定論。當(dāng)一個(gè)宏觀物體用二分法不停分割時(shí)，最初的變化僅僅是量的變化，仍可用牛頓運(yùn)動(dòng)理論來解決其速度、位移等問題；但當(dāng)分割到一定程度時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將發(fā)生質(zhì)的變化，不能再用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來描述其規(guī)律。為什么呢？我們知道，物理學(xué)是一門測量基礎(chǔ)上的科學(xué)：而測量宏觀物體的各物理量時(shí)，由于測量儀器對(duì)被測物體的影響相對(duì)于受到的其它

8、力而言是很小很小的，完全可以忽略不計(jì)；而測量微觀物體的各物理量時(shí)，由于測量儀器對(duì)被測物體的影響不滿足宏觀物體那樣的條件，因此，測量儀器對(duì)被測物體的影響不能忽略，測量儀器和被測對(duì)象形成一個(gè)統(tǒng)一的不可分割的整體即“觀測過程是一個(gè)不可分割的整體，觀測結(jié)果是一個(gè)完整的不可分割的現(xiàn)象。”顯然，微觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能象宏觀物體那樣具有完全的決定性。、把電子或者光子當(dāng)作微粒的描述，會(huì)產(chǎn)生許多難以避免的困難我們常?？吹降?，在雙縫衍射里一個(gè)粒子同時(shí)穿過兩條狹縫，或者說它有一部分穿過一條狹縫，另一部分穿過另一條狹縫的各種說法，從根本上說來都是不對(duì)的我們當(dāng)然可以說清楚光(電磁波)是怎么穿過雙縫衍射裝置的，它是以相干

9、態(tài)的形式穿過的然而，相干態(tài)的光子數(shù)十分不確定的，所以我們不能夠使用光子的語言去說明這種過程在美國馬里蘭大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)組，成功地做了一系列精心設(shè)計(jì)的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)，企圖表明量子力學(xué)的基本觀念遇到了新的困難.但是，他們所說的解釋上的困難，都是運(yùn)用光子語言時(shí)遇到的困難即這一類實(shí)驗(yàn)，本來就不適宜于運(yùn)用光子語言去描述撇開光子語言，運(yùn)用以有關(guān)態(tài)函數(shù)為基礎(chǔ)的正確描述方式，這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋，就完全不存在什么困難了。BaTl4J同樣，把電子或者中子看作波動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生解釋上的困難.最后一個(gè)例子,2002年發(fā)表的對(duì)一個(gè)中子反彈實(shí)驗(yàn)的解釋里，把薛定諤方程的定態(tài)解混同于經(jīng)典物理學(xué)里的駐波，由此產(chǎn)生了一些不應(yīng)有的誤解例如

10、，有的評(píng)論里竟說“當(dāng)粒子的運(yùn)動(dòng)受到限制，根據(jù)量子力學(xué)原理，物質(zhì)的波動(dòng)性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致相長和相消干涉構(gòu)成了量子化的起源”等等實(shí)際上，量子力學(xué)的基本原理里面根本沒有“物質(zhì)的波動(dòng)性質(zhì)”這一觀點(diǎn)，只有薛定諤方程的解才是基本的；一切有關(guān)討論必須以薛定諤方程為基礎(chǔ)，不應(yīng)當(dāng)隨意添加一些從經(jīng)典物理學(xué)或者早期量子論里搬來的論據(jù)正如費(fèi)曼所說：每一樣?xùn)|西都既像這個(gè)，又像那個(gè)所謂“二象性”，不過是反映了在量子力學(xué)的建立之前那一段混亂時(shí)期的困惑心理，有了薛定諤方程，就對(duì)電子的行為給出了恰當(dāng)而精確的描述不應(yīng)當(dāng)再用微?；蛘卟▌?dòng)之類的經(jīng)典物理的概念去理解它們。2、微觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律物體小到一定程度后，不能按牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)來研究其運(yùn)動(dòng)

11、規(guī)律，那么如何描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和研究手段的進(jìn)一步提高，發(fā)現(xiàn)單個(gè)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是按一定幾率出現(xiàn)的，即微觀粒子的運(yùn)動(dòng)具有這樣的特點(diǎn)一個(gè)微觀粒子在某一空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，它沒有特定的可預(yù)測的運(yùn)動(dòng)軌道，下一時(shí)刻它將在哪兒，可以說“它自己也不知道，它只知道達(dá)到哪兒的可能性大，達(dá)到哪兒的可能性小”。這就是微觀物體運(yùn)動(dòng)具有幾率性特征。若對(duì)大量的微觀粒子而言，某處達(dá)到粒子的幾率大，該處的量就較強(qiáng)，反之，某處達(dá)到的幾率小，該處的量較弱一一即空間出現(xiàn)強(qiáng)弱不同的分布，這就是波的特征。3、光子是屬于微觀粒子，因此它的運(yùn)動(dòng)也不具有宏觀意義的決定論，而具有幾率的特征：對(duì)某一個(gè)光子而言，它將怎樣運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過一

12、段時(shí)間后，它敬愛責(zé)任感哪兒，在它到達(dá)以前是完全不可能預(yù)測的。但我們利用現(xiàn)代物理學(xué)可以計(jì)算出它到達(dá)某處的可能性的大小?？赡苄源笠灰粠茁蚀?，可能性小一一幾率小。從而對(duì)大量光子而言，某處的幾率越大，該處光就強(qiáng)，也就越亮；反之，某處幾率小，該處光就弱，也就越暗。從而出現(xiàn)明暗不同的區(qū)域，表現(xiàn)出波的特性一一這就說明了光具有波粒二象性。4、孤立子理論的解釋人們對(duì)物質(zhì)波粒二象性的認(rèn)識(shí)有一種傾向，認(rèn)為物質(zhì)粒子本質(zhì)上是粒子，只是這種粒子帶有波動(dòng)性。人們的“物質(zhì)粒子的波粒二象性”這種提法，就有意無意地隱含了這種思想。而對(duì)孤立子的認(rèn)識(shí)卻又有另一種傾向，即認(rèn)為孤立子本身是波，但這種波因保持形狀不變而具有粒子性。正是基于

13、這樣的認(rèn)識(shí)，使人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到物質(zhì)粒子和孤立子具有驚人的相似性。如果換一個(gè)角度來看孤立子和物質(zhì)粒子的相似性，來研究為什么孤立子和物質(zhì)粒子都具有波粒二象性，一切問題便迎刃而解。物質(zhì)粒子并不是經(jīng)典意義上的沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“顆?！?，也不是其小無內(nèi)的點(diǎn)粒子，物質(zhì)粒子在本質(zhì)上就是真空中的孤立子，或者說是真空中的孤立波。廣義相對(duì)論表明，真空是可以變形的，引力場實(shí)際上就是一種不均勻的時(shí)空變形，引力場中的真空發(fā)生了不均勻的變形，時(shí)間的流逝也不均勻了。而且，真空的這種不均勻變形也可以在真空中傳播，從而形成引力波。物質(zhì)粒子實(shí)質(zhì)上就是真空中的引力波由于其非線性和色散性的共同作用而形成的真空孤立波，或者說真空孤立子?？偨Y(jié)

14、：要正確的理解波粒二象性，首先要明白的是，我們不能用宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即牛頓力學(xué)來描述微觀物體，物體從宏觀到微觀由大到小改變時(shí)，量變將導(dǎo)致質(zhì)變。其次認(rèn)識(shí)到微觀物體運(yùn)動(dòng)具有幾率性特征，是一種概率波，并且其位置和動(dòng)量具有不確定性：就如同研討傳播于細(xì)繩的波動(dòng)在某時(shí)刻所處的準(zhǔn)確位置是毫無意義的，粒子沒有完美準(zhǔn)確的位置；同樣地，就如同研討傳播于細(xì)繩地脈波的波長是毫無意義地，粒子沒有完美準(zhǔn)確的動(dòng)量。此外，假設(shè)粒子的位置不確定性越小，則動(dòng)量不確定性越大，反之亦然。物質(zhì)粒子所以具有波動(dòng)性，是因?yàn)槲镔|(zhì)粒子本身就是真空中的一種波。最后認(rèn)識(shí)到物質(zhì)粒子就是真空中的孤立子，物質(zhì)粒子的波粒二象性就很容易理解了。而所以物質(zhì)粒子或者說真空中的這種波具有粒子性，是因?yàn)檫@種波由于其非線性和色散性的共同作用聚集在一起而不散開，從而形成穩(wěn)定的“波包”，表現(xiàn)出粒子性。波粒二象性已經(jīng)成為物理學(xué)中關(guān)于微觀物質(zhì)的基本屬性之一。對(duì)物質(zhì)這