量子力学:对波粒二象性的进一步探讨,你怎么看呢?光到底是波还是粒子?这是一个曾经争执了上百年的问题,有人认为光是波,有人认为光是...
量子力学:对波粒二象性的进一步探讨,你怎么看呢?
光到底是波还是粒子?这是一个曾经争执了上百年的问题,有人认为光是波,有人认为光是粒子。到了20世纪初,这两种理论已经完全背道越走越远,并且都各自坚信自己的理论才是唯一正确的。究竟是波还是粒子,大家决定用一个实验来证明,即双缝干涉实验。
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简言之,就是在一块板上开两个距离适中的小缝,板的一边是一个光子发射器,另一边是一个感光屏。用光子发射器对准双缝发射光子,如果光是由粒子组成,那当它通过双缝后,呈现在感光屏上的一定会是是两道杠;反之,如果光是波,那么感光屏上就会留下如斑马线一样的多道条纹。根据波动理论,当波动穿过缝隙时会形成两个波源,两道波各自震荡干涉,波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间相互抵消,最终屏幕上会出现一道道干涉条纹。总之,两道杠,说明光具有粒子性;多条纹,说明光具有波动性。
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第一次试验,把光子发射器对准双缝发射,结果感光屏上出现了多道条纹。而按照之前的推论,这似乎完全证明了光是波的理论。但是还有认为光是粒子的理论,那么进行第二次试验,把光子发射器切换到点射模式,即每次只发射一个光子,让光子逐一通过狭缝。如果之前的推论正确的话,当发射足够多的光子后,感光屏上只会出现两道杠。然而一段时间后感光屏上却同样出现了干涉条纹(斑马线)。这让人感到费解,明明同一时间两个缝隙只有一个有光子通过,那这个光子是在和谁进行干涉呢?难道它是在和自己干涉吗?这似乎不太可能。
为了弄清这个问题,决定进行第三次实验。此次试验与以往不同的是在屏幕左右加装了两个观测镜头,哪边的看到光子就说明光子穿过了哪条缝。通过最终观测数据发现,光子确实是从两个缝进行单一通过。正当科学家以为一切都真相大白的时候,却出现了诡异的一幕——感光屏上出现了明显的两道杠。为什么会这样?之前明明是多道干涉条纹,为什么加了观测镜头条纹就由斑马线变成两道杠了?就好像光子知道有镜头在观察它一样,没有观测镜头的时候是波,有观测镜头的时候就变成了粒子。
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所有人都疑惑不解的时候,爱因斯坦提出了一个大胆的假说,即“光量子假说”。并在后来据此演化出来了波粒二象性,即光既可以表现出波的性质,也可以表现出粒子的性质。而这其中的变量取决于观测方式的不同。到这里,所有的问题似乎都迎刃而解,用波粒二象性都能够解释的通。
然而1979年,由爱因斯坦的同事约翰.惠勒所提出的“延迟选择实验”却对经典物理学造成了前所未有的冲击。为了便于理解,我们还是以双缝干涉实验来讲,不过这次不同的是,发射光子前屏幕前没有观测镜头。发射光子后,在光子落在感光屏之前加上观测镜头,结果无论加观测镜头的速度快慢,感光屏上出现的一定是两道杠;反之,如果一开始有观测镜头,哪怕在最以后一刻撤掉,感光屏上出现的一定是干涉条纹(斑马线)。
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而这里加或者不加观测镜头均是在光子穿过缝隙之后决定的,也就是说光子的状态在加或者撤掉观测镜头之前就已经定型了,那么为什么实验结果在最后一刻还会发生变化?难道加或者撤掉观测镜头再次改变了已经定型的光子?也就是说现在的选择改变了过去既定存在的事实?
这让物理学家们感到数百年来的经典物理学体系似乎正在崩塌,这里套用波尔的一句话,“在观测发生前,没有任何物理量是客观存在的。”这样似乎一切又都能解释的通。
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量子力学告诉我们,粒子可以同时处在不同的状态下,这是量子力学中的态叠加原理。即光可以不同概率同时是波和粒子的状态,而具体情况则取决于观测方法。当正常用双缝实验测试时,粒子全部坍缩为波状态,便得到了光的波动性;而架设观测相机观测时,波动状态则全部坍缩为粒子状态,便得到了广德粒子性。这便是量子力学中的观察者效应,即观测了就会引起叠加态的坍缩并且得到一个确定无疑的结果。这便是量子力学的神奇之处,而在延迟选择实验之后物理学界更是无人不信量子力学!
让无数物理学家头疼的波粒二象性到底是什么?
波粒二象性是人类对光的粒子性跟波动性如何进行统一认识的现象,至今没有完美解释,也是人类认识史上最令人困惑的问题之一。在人类最早对光的认知中,光是由粒子组成的,这个观点是由物理学巨匠牛顿提出的,因为他观察到光是直线传播的,他认为光是由一个个小的光子组成,但是随着后来发现光的反射、衍射现象,不得不对粒子学说提出了怀疑。
后来人们有人为光是由波组成的,因为通过肉眼就可以观察到,两束不同的光穿过一个缝隙的时候就发生相互干涉的情况,就像在一个湖中同时投入两块石头泛起的波纹会互相叠加,最终合成一个波纹。光也具有这样的特性。基于这些认识,人类提出了光是有波组成的,但是后来进行的双缝干涉实验却让物理学家都很困惑,因为他们发现光同时具有了波动性跟粒子性的两种特征,下面就以个人观点说一说波粒二象性到底是什么:
1、波动性
在双缝干涉实验中,将两束光通过一个缝隙的话,会在缝隙后面的挡板上出现清晰的条纹,这就是光波动性的最好证明,因为光像水波一样发生了干涉,干涉的结果就是形成了多条平衡的条纹,均匀分布在了挡板上。基于这个认识光被认为成具有波动性,但是恐怖的事情在随后的实验中发生了,从而证明了光的粒子性。
2、粒子性
在双缝干涉实验中,如果将光分解成一个一个的光粒子射向缝隙的话,粒子就会在挡板后随机排列,最终形成了一束光纹,但是一旦进行观察光的波动性就不存在了,只存在粒子性。基于这种原因爱因斯坦提出了量子理论。
你知道波粒二象性吗?欢迎留言。
关于光子的波粒二象性的问题
光具有波粒二象性,而一个光子仅具有粒子性,不具有波动性(因为如果你用一个光子做干涉实验,是不会出现干涉条纹的)我的问题是:光子的能量E=hf,动量p=h/(波长) 这两个公式中的频率和波长是波的特点,但对于一个光子来说,它没有波动性,那这两个物理量对于一个光子来说物理意义是什么?光子,和量子物理里描述的所有粒子,都是概率波。
什么是概率波呢?就是一个粒子出现在空间各个点的概率是由波动方程决定的。
就说你拿一个光子做干涉实验吧,我们看最后光屏上出现光子的位置,第一次实验,它出现在左边,第二次实验,它出现在中间,第三次实验,它出现在右边………………每次重复实验,所有的条件都是一样的,却还是得不到相同的结果。你永远都无法预测,下一次你永一个光子做干涉实验,它会到达光屏的哪里。那么好,难道,光子到达光屏的位置,是随机的?
我问你,你用一个光子做干涉实验,结果光子应该落到光屏上的哪个位置?你必然回答不出来。
你知道,物理上,这种重复多次结果不同的实验,被认为是没有可重复性的,不会得到承认。但是量子力学的观点解决了这个问题。
在你做单光子干涉实验之前,你无法知道这个会到达光屏的哪个位置,但是你可以知道光子到达光屏各个位置的概率分布。这个概率分布就是用光波的方程计算出来的。事实上这个概率分布就是干涉条纹。例如,这个光子到达波动计算出的亮条纹位置的概率是90%,达到波动方程计算出的暗条纹的位置的概率是10%,在所有的亮条纹里面,光子到达中央亮条纹所在位置的概率最大,等等。。。
好,现在上面的那个问题就回答出来了,我虽然提前不能知道光子会达到光屏的哪个位置,但是我知道光子出现在光屏各个位置的概率是多大,甚至知道光子不到达光屏的概率和穿过光屏的概率是多大,这是由波动方程知道的。用不同频率波长的光子,这个概率分布都不一样。
所以就算对一个光子,波长,偏振等等波动概念也是有效的,因为这决定了这个光子将要走向哪里的概率。
这种粒子在未来所在的确切位置不能推测,但是其未来出现在空间各个位置的概率分布是可以计算并且是由波动方程给出的(粒子-波)的运动形式,叫做概率波。
从量子力学的角度讲,所有的物质均是概率波。物理学常常开的玩笑就是,实际上,你撞墙的时候,有一定的概率穿墙而过,但是这个概率太小了,就算经历n个宇宙寿命的时间也不能发生一次(n超级超级大,到底多大我也没算,要根据墙的厚度和你的质量以及速度,代入波动方程求解这个事件发生的概率。),所以我们说这是不可能的。但是对于微观粒子,这个效应就很明显。例如电子计算机快要到极限了,为什么呢,因为电子会“穿墙而过”,集成电路上相邻的两条微导线间的距离太小,小于20nm的时候,电子穿过它们之间的绝缘层的概率就比较可观了。现在推测集成电路允许的最小间距大概是十几个纳米。在量子理论出现之前,我们认为不管绝缘层多薄,只要不被击穿(就是破坏绝缘层结构导致其导电),电子都不可能穿过它。但是量子力学认为是有一定概率穿过的,并且实验结果和量子预测相吻合。
所以结论,一个光子是具有波动性的,这体现在它将来出现在空间各个点的概率分布上。这种运动形式叫做概率波。所以即使对一个光子,其波动性也是有意义的。
教参书上说那句话是错的,一方面“光就是高速运动的粒子”这句话就是错的,不能仅仅用粒子描述光。而每个光子都有波粒二象性,这个也不确切。因为单个光子的波动性不能成为表象。所谓波粒二象性是二十世纪初物理学家在总结光的表象时发明的名词,并不是用来描述光的本质的。光无法满足经典的粒子描述,也无法满足经典的波的描述。单个光子无法形成波动性表象,并不代表其运动不受到波动原理影响。其运动已经满足概率波了,只是还不足以形成我们可以观察到的表象而已。就像你说的,单个光子无法形成干涉图样。另外,高中或者更低年级用的教参书…大部分只是用来死记硬背的而已,没有多少科学参考价值的。
另外补充一点,单个光子具有的波动性和经典物理中的波动性是不同的,虽然两者具有相同的数学形式,LZ所说的”对于一个光子来说,它没有波动性“如果加上”经典的“这个定语,就是正确的了。
补充:你补充的那句教科书上的话是对的的说……
有些问题研究它就是没有意义的。比如你问一个原子的颜色是什么,就是没有意义的。
如何理解微观粒子的波粒二象性?
波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。指微观粒子有时显示出波动性(这时粒子性不显著),有时又显示出粒子性(这时波动性不显著),在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质。一切微观粒子都具有波粒二象性。
1905年,爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年,德布罗意提出"物质波"假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。
普朗克黑体辐射定律
1901年,马克斯·普朗克发表了一份研究报告,他对于黑体在平衡状况的发射光波频谱的预测,完全符合实验数据。在这份报告里,他做出特别数学假说,将谐振子(组成黑体墙壁表面的原子)所发射或吸收的电磁辐射能量加以量子化,他称呼这种离散能量为量子。
其中, 是离散能量, 是普朗克常数。这就是著名的普朗克关系式。从普朗克的假说,普朗克推导出一条黑体能量分布定律,称为普朗克黑体辐射定律。
科学家认为波粒二象性只是性质而不是本质,究竟为什么?
关于这个问题,有了解过量子力学的小伙伴,应该都非常清楚,因为微观粒子有时会表现出挥发性的原因,此时这种粒子的性质就不太明显,有时它们会表现出粒子性质的时候,此时挥发性就不那么明显。并且他们两者在不同条件下,所能表现出来的波动或粒子性质也是不同,这种量子行为,被我们称为波粒二象性,关于以上的问题,我认为有以下的三个原因,定义量子的概念,其次光跟波都满足了波粒二象性的条件,最后广义物质观的概念。
一、量子的概念事实上,关于光他是粒子还是波的问题,已经在历史争论已久了,但是,到1904年之前,还没有一个领人信服的答案,著名科学家牛顿他个人认为光其实就是一种粒子,而著名科学家麦克斯韦的电磁学理论则认为光是一种波,但是,关于他们两个人的说法,都存在一定的缺陷,直到1905年的时候,著名科学家爱因斯坦才提出光子这一载有光能的量子的概念,并解释了光电的效应,使人们意识到,光波具有波和粒子的双重性质。
二、光跟波都满足了波粒二象性的条件由于光就是粒子,因此它必然会旋转,其次,因为光是波,所以它必然会向前移动,旋转物体的轨迹应该就是螺旋形的,这一点,我个人认为,是不需要解释的,因为如果我们从侧面看的话,这个东西是具有波长,幅度跟频率的,所以,波长我认为可以看作是光量子,从正面来看,它可能是一个圆心,半径和角速度的圆,这也就充分满足了,光跟波就是波粒二象性的条件。
三、广义物质观的概念事实上,简单一点的说,宇宙物质大致可以分为两类,第一类就是质量跟物质了,另一类就是能量跟物质了,很多人可能不知道,怎么去理解物质,简单一点的说,即人们通常所说的是可见的和有形的聚集形式的物理物质,其次,什么是能量跟物质,能量物质其实就是物质的非质量,他无形,无影,属于离散形式,但是,因为由于是宇宙物质分成的,所以质量物质跟能量物质定义不同,因此可以说,宇宙他就是由质量天体跟能量空间所组成的,我们从自然力的角度来分析的话,能量其实就是力量的本质罢了。
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