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波粒二象性:微观世界的基石,揭露粒子身份之谜

2019-08-28  wenxuefen...

光究竟是什么,古希腊人认为光是由非常小的微粒“光原子”组成,蕴含着非常朴素的辩证唯物主义观点,古代中国对于光究竟是什么,就比较哲学了,古中国科学家认为光产生于气,是一种由光源发出的特殊的气。

对于光的系统研究,西方起源于笛卡尔,笛卡尔在《屈光学》中首次对折射定律提出了理论论证。他还解释了人的视力失常的原因,并设计了矫正视力的透镜。

笛卡尔提出了光的波动学说的雏形,然后在1660年代,著名物理学家胡克发表了他的光波动理论。他认为光线在一个名为发光以太的介质中以波的形式四射,并且由于波并不受重力影响,他假设光会在进入高密度介质时减速。并且对惠更斯给完善。

后来,光的波动学说被惠更斯完善,1678年,惠更斯在法国科学院的一次公开演讲中推翻了牛顿的光的微粒说,并在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说,建立了著名的惠更斯原理,促进了光学研究的发展。

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《光论》里面所涉及到的最重要的光学理论就是光波理论。他认为从波源发射出的子波中的每一点都可以作为子波的波源,每个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。在此原理基础上,他发现了光的衍射、光的折射定律和反射定律,解释了光在光密介质中传播速度减小的原因。

然而,同时代的牛顿却并不认同光是一种波,他认为光是一种微粒,在牛顿之前,法国数学家皮埃尔·伽森荻提出物体是由大量坚硬粒子组成,牛顿非常认同伽森荻的观点,他根据光的直线传播规律、光的偏振现象,最终于 1675 年提出假设,认为光是从光源发出的一种物质微粒,在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。

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两个人由此掀起了长达 300 年波粒大战,当时惠更斯和胡克先后去世,牛顿出版巨著《光学》,这本著作汇聚了牛顿在剑桥三十年研究的心血,从粒子的角度,阐明了反射、折射、透镜成像、眼睛作用模式、光谱等方方面面的内容,他更从波动说中汲取养分,将波动说中的震动、周期等理论引入粒子论,全面完善补足了粒子学说。紧接着他将波动说无法解释的问题一一提出,并对惠更斯当年的《光论》加以驳斥。

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随着牛顿的声名愈发隆盛,牛顿的微粒学生可以说在长时间里垄断了对光的解释权。

后来,著名科学家托马斯.杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候,他突然产生了疑问“为什么会形成一明一暗的条纹呢?”他想:“用波来解释不是很简单吗?明亮的地方,那是因为两道光正好是“同向”的,它们的波峰和波谷正好相互增强,结果造成了两倍光亮的效果;而暗的那些条纹,则一定是两道光正好处于“反向”,它们的波峰波谷相对,正好相互抵消了。“

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后来他著名的杨氏双缝干涉实验。就是把一个手电筒放在一张开了一个小孔的纸前边,然后在纸后边再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到墙壁上,就会形成一系列明、暗交替的条纹。

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这个实验成了支持光的波动理论的绝佳例子,杨氏双缝实验也被称为光的干涉现象,干涉这个名词也是杨首次提出的。他证实了光纤通过平行且距离很小的两个小孔,通过两小孔频率相同的光会发生互相影响投射出明暗相间的图案

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杨的实验结果给学界带来了很大的冲击,也极力地证明了惠更斯早年提出的光波动理论,再到后来菲涅尔、傅科、核磁纷纷通过实验证明光波动理论的正确性, 欧拉也是波动学说的支持者之一,他在《光和色彩的新理论》中阐述了他的这一观点,他认为波理论更容易解释衍射现象。

可以说从牛顿开始的 300 年里,关于光究竟是波还是粒子的争论一直没有停止,两大学说可以说有很多的拥簇,可以说轮流垄断了对光的解释权。

而到了 19 世纪末 20 世纪初,物理学向微观领域发展,这个问题也就转变成了粒子层面了,它们究竟是光还是波?

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在当时,海森堡就认为电子是量子化的,像粒子一样在不同轨道上跃迁。而薛定谔则认为电子是一种波,就像云彩一般(电子云说法的由来),放大来看后,就好像在空间里融化开来,变成无数振动的叠加。

而让爱因斯坦获得诺奖的光电效应就初步提出了波粒二象性的概念,次论战还是还是起源于杨的双缝实验,不过爱因斯坦得出了不一样的结果,当你降低光的强度,直到每次只有一个光子进入整个实验装置时,奇异之旅就开始了。1905 年,爱因斯坦已经明确提出,单个光子是一个粒子。由此爱因斯坦提出的光量子理论,解释了光电效应,并因此获得了诺贝尔奖。

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在爱因斯坦提出光量子理论之后,大家发现杨的实验结果也并没有错,这个时候人们开始意识到光波可能同时具有波和粒子的双重性质。

而真正提出了光粒二象性理论的则是德布罗意,为了解释 X 射线上出现的现象,1920 年,德布罗意重新开始研究理论物理,特别是关于量子问题,在1923年9月和10月,德布罗意在《法国科学院院导报》上发表了的三篇有关波和量子的短篇论文,这个时候就已经初显他物质波的思想。

最终, 1924 年,德布罗意在其博士论文《量子理论的研究》中初步提出了相位波也就是物质波的概念,在这篇论文中运用了两个最亮眼的公式: E=hv 和 E=mc2。

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德布罗意博士论文部分截图,论述光子能量公式部分,需要完整论文的可以和我要链接

这都是爱因斯坦最著名的关系式,前者对光子能量而言(第一个公式的提出有普朗克的功劳),后者是描述质量与能量之间的当量关系。

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德布罗意把两个公式综合再作出假设,他认为光量子的静止质量不为零,而像电子等一类实物粒子则具有频率的周期过程。

所以在论文中他才得出一个石破天惊的结论, 任何实物微粒都伴随着一种波动。

这种波被德布罗意称为称为相位波 。

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相位波

在这个博士论文中,德布罗意首次正式提出了“波粒二象性”,他指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式 p=h/λ 推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量 h 跟粒子动量 mv 的比,即 λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。而且根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象。

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电子衍射

德布罗意的理论中揭示了每一种微观粒子都具有波粒二象性。1921 年,著名美国科学家戴维森和助手康斯曼在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现,镍靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量,显然是在金属反射时发生了弹性碰撞,他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值,不是平滑的曲线。他们并没有意识到这其实是一种衍射现象,试图仿照卢瑟福 α 散射实验试图用原子核对电子的静电作用力解释这一曲线。所以当戴维森继续做电子散射实验想继续获得这种曲线的时候,结果并不理想。

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后来戴维森随著名物理学家里查森参加了会议。意识到他们进行的实验有可能是德布罗意物质波假说所预言的电子衍射的证据。

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里查森

回到美国之后,他马上就重新做了该实验,于1927年发表了实验结果。 这个实验,也正是德布罗意论答辩当日提出的“电子的衍射实验”。 也就是说如果电子具有波动性,那么电子束在通过障碍物时应该会和光一样产生衍射。

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电子衍射实验示意图

几乎是同时,著名物理学家、电子的发现者J.J汤姆逊的儿子P.G.汤姆逊也以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹,确凿证实了电子的波动性;为德布罗意波提供了又一坚实的基础。 他们两个人一起于1937年斩获诺奖。

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单电子双缝实验

在这之后,各种粒子的衍射实验也被证实成功,德布 罗意的理论彻底无懈可击。

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P.G汤姆逊(另一位诺奖得住J.J汤姆逊之子)

对德布罗意物质波的研究在 21 世纪也没有停止,2015年瑞士洛桑联邦理工学院科学家就成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。

底部的切片状景象展示了光线的粒子特性,顶部的景象展示了光线的波特性。

波粒二象性是微观世界的基石 波粒二象性是量子理论建立及发展过程中的一个非常基本而又重要的思想,同时也是微观粒子的固有属性。上帝似乎在和这三百年来参与论战的所有科学家开了一个大大的玩笑,这场持续日久,参与者众多的大论战,最终却没有输者,因为他们极力捍卫的学说都是正确的,只不过对了一半。。。

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