對(duì)波粒二象性的理解與認(rèn)識(shí)

顧婷婷

哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025

1 光的波粒二象性發(fā)展

過去人們一直認(rèn)為光是特殊的物質(zhì)，它是所有物質(zhì)中最小的物質(zhì)，因此在科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，許多優(yōu)秀的科學(xué)家前赴后繼的研究光的本質(zhì)是波還是粒子，旨在以此對(duì)物質(zhì)的本質(zhì)作出根本的定性。笛卡爾在探究光的本性問題時(shí)提出了兩種不同的假說，一種假說是認(rèn)為光通過“以太”這種媒質(zhì)進(jìn)行傳播的，另一種假說則認(rèn)為光有著與微粒近似的特性；英國物理學(xué)家胡克認(rèn)為光是以太媒介中的一種縱向波，他復(fù)核了格里馬第的試驗(yàn)通過觀察肥皂泡膜折射出顏色，得出光波頻率是決定去顏色的結(jié)果，以此支撐他所提出的假說；1672年牛頓提出了光的微粒假說，他認(rèn)為光的本質(zhì)是由微粒組成的；惠更斯借助前人研究成果，通過反射試驗(yàn)和折射試驗(yàn)證實(shí)了光的波動(dòng)性，系統(tǒng)的完整的對(duì)光的波性進(jìn)行了詳細(xì)闡述。他認(rèn)為光的本質(zhì)是一種依靠介質(zhì)為媒介進(jìn)行縱向傳播的機(jī)械波。對(duì)光的研究在1808年出現(xiàn)了戲劇性變化，物理學(xué)家拉普拉斯通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，進(jìn)而提出來偏振定律，這讓波動(dòng)說陷入自我矛盾的尷尬境地，從而促進(jìn)了物理學(xué)家對(duì)物理光學(xué)的研究轉(zhuǎn)到了微粒說的發(fā)展方向。

面對(duì)著這種錯(cuò)綜復(fù)雜的情況，楊氏對(duì)光學(xué)又進(jìn)行了一次更高層面的研究，1817年，他果斷否認(rèn)了惠更斯關(guān)于光是縱波的說法，提出了光是橫波的論斷，這有效的解決了光出現(xiàn)偏振的問題，隨后他借鑒了牛頓的學(xué)說，創(chuàng)立新的光波理論。楊氏曾與隸屬于牛頓陣營的阿拉戈探討自己的新觀點(diǎn)。1815年科學(xué)家菲涅爾不滿足當(dāng)前所流行的關(guān)于光的粒子說，他試圖對(duì)惠更斯的波動(dòng)說進(jìn)行完善，然而當(dāng)時(shí)他并不知道楊氏已經(jīng)在光的衍射方面進(jìn)行了大量的研究，菲涅爾認(rèn)為不同波之間的干射現(xiàn)象可以提高合成波的強(qiáng)度，他的理論是與楊氏是完全背道而馳的。后來某天阿拉戈告訴了菲涅爾楊氏的橫波觀點(diǎn)，他十分感興趣，開始了吸收楊氏的思想并做了數(shù)年的研究，最終在1819年以新的方法成功的進(jìn)行了光的干涉試驗(yàn)，這又一次證明了光的波動(dòng)性。阿拉戈與菲涅爾隨后投身于光的波動(dòng)研究并提出來光波的橫波理論。

19世紀(jì)中期，光的波動(dòng)說終于力壓光的粒子說成為主流學(xué)說，人們一度認(rèn)為已經(jīng)找到了光這一特殊物質(zhì)的本質(zhì)。然而在面臨什么是光波的載體問題時(shí)，該理論解釋不清楚，光學(xué)物理的摩天大廈上空飄來了一朵烏云，1887年德國科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，光波動(dòng)說出現(xiàn)了根基不穩(wěn)的危機(jī)。直至1905年3月，愛因斯坦提出了光的量子學(xué)說，完美的詮釋了光的波粒二象性，這場耗時(shí)百年的大爭論終于得到了科學(xué)的正確的解決。

2 波動(dòng)性與粒子性

光在傳播過程中不時(shí)嚴(yán)格按照直線傳播的，它有著與波一樣的干涉、衍射現(xiàn)象，這符合光的波動(dòng)性原理。麥克斯韋以此為基礎(chǔ)通過試驗(yàn)研究認(rèn)為光是一種電磁波，具有相應(yīng)的頻率f和波長λ。光在與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)了康普頓效應(yīng)以及黑體輻射現(xiàn)象，愛因斯坦以此為研究對(duì)象提出光子說，闡述光是由光子構(gòu)成的，而光子是具有一定的動(dòng)量和動(dòng)能的。宏觀上光呈現(xiàn)的波動(dòng)性，微觀上光呈現(xiàn)的是粒子性，這就是所謂的光的波粒二象性。

在傳統(tǒng)物理學(xué)上波和粒子是相差很大的物理概念，一種物質(zhì)同時(shí)呈現(xiàn)兩種特性是匪夷所思的。宏觀上現(xiàn)存的所有物體都沒有出現(xiàn)過這種情況。為了更好的理解宏觀物體所呈現(xiàn)的波動(dòng)性和粒子性，我們需要引入量子理論這一概念。只有量子理論才能從根本上了解光子的特性，解釋各種存在的現(xiàn)象。關(guān)于光的粒子性的解釋，與宏觀力學(xué)的“粒子”或者“小球”是完全不同的。具體地說，光子屬于微觀粒子，它是量子力學(xué)中的學(xué)科名詞，并不遵循牛頓力學(xué)里的規(guī)律。光子流不是遵循經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一群粒子，光波同樣不是經(jīng)典力學(xué)描述的機(jī)械波（機(jī)械波是在經(jīng)典力學(xué)中的能量傳播在媒質(zhì)中是連續(xù)的，它與物質(zhì)之間的能量變化也是連續(xù)的）。而當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，動(dòng)量、能量都是以分子為分立單元進(jìn)行作用與變化的過程的，但其是不連續(xù)的。因此，光只是形象的說明了其性質(zhì)，部分的采用波和粒子的一部分特點(diǎn)，它不是經(jīng)典物理意義下的波或粒子的集合。

在理解光的粒子性時(shí)，可以說光是以光子為單位，具有相對(duì)集中的能量，動(dòng)量和質(zhì)量。在對(duì)光子波動(dòng)的理解，即光子在傳播的過程中，不同的光子在不同的時(shí)間和地點(diǎn)出現(xiàn)的概率均不相同，而光子的集體行為與波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律大致相近。如：在光的干擾現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中，干擾條紋是大量的光子落在不同的地點(diǎn)形成的，光子落到某一地點(diǎn)的幾率大，那么該地點(diǎn)達(dá)到的光子數(shù)目就會(huì)增多；相反，光子到達(dá)某一地點(diǎn)的幾率小，那么該地的光子數(shù)目就相對(duì)較少，并出現(xiàn)光線相對(duì)較暗的條紋?？梢?，多數(shù)光子的傳播規(guī)律表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的傳播表現(xiàn)出粒子性。因此說，光具有波粒二象性。

3 量子物理中關(guān)于波粒二象性描述的發(fā)展歷程

量子物理建立的一個(gè)重要基石是光和微觀粒子具有波粒二象性這一特點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。但是在量子物理發(fā)展的不同時(shí)期，將這種二象性在同一粒子上統(tǒng)一起來進(jìn)行合理的描述是各不相同的。

3.1 舊量子論時(shí)期

在量子物理發(fā)展的舊量子論時(shí)期，人們雖然發(fā)現(xiàn)光和實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性和粒子性，但并沒有給予這種二象性一個(gè)統(tǒng)一的描述。然而光和實(shí)物粒子的這種二象性是在不同的學(xué)科領(lǐng)域里得到一致證實(shí)的。丹麥物理學(xué)家玻爾曾經(jīng)將粒子的二象性放在氫原子的理論研究中做系統(tǒng)闡述，但是遇到了困難，當(dāng)他將能量的粒子性加入量子化的條件形式，但卻沒有顯示其波動(dòng)性的特點(diǎn)。因此，這種將量子化條件和經(jīng)典理論連合的方式并不能使這種二象性得到一致的描述。

3.2 非相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)期

在非相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)期，關(guān)于微觀粒子波粒二象性的描述有了更深入的發(fā)展。不僅發(fā)現(xiàn)粒子的物理量和波動(dòng)的物理量之間的關(guān)系受到德布羅意關(guān)系的影響，而且發(fā)現(xiàn)了滿足波動(dòng)性的粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的波函數(shù)方程，即薛定諤方程:

由此可見，在非相對(duì)論量子力學(xué)體系中，微觀粒子的波粒二象性的波動(dòng)描述，進(jìn)而表現(xiàn)在對(duì)波函數(shù)的幾率計(jì)算上，同理于微觀粒子在空間的分布概率取決于描述粒子的波函數(shù)，即：

這個(gè)方程便是粒子在空間分布的密度概率函數(shù)，說明了粒子的波動(dòng)性與粒子在空間出現(xiàn)的隨機(jī)性有關(guān)。但這只是在空間分布上描述的一致，并不是本質(zhì)上的統(tǒng)一描述。而且它只對(duì)描述實(shí)物粒子有效，不能應(yīng)用于其他微觀粒子的描述

3.3 相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)期

相對(duì)論量子力學(xué)是在非相對(duì)論量子力學(xué)基礎(chǔ)上的又一次突破。盡管它還是利用非相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)期里的函數(shù)方程來描述波粒二象性這一性質(zhì)，但它已經(jīng)把粒子分成兩類加以討論，即費(fèi)米子和玻色子，它們分別符合狄拉克方程、克萊因—戈登方程的描述。與先前的發(fā)展對(duì)比，它的這兩種描述與微觀粒子更多的內(nèi)在性質(zhì)有直接的聯(lián)系，并且它增加了對(duì)電磁場進(jìn)行描述的內(nèi)在可能性。但是，在相對(duì)論量子力學(xué)時(shí)期，由于波函數(shù)仍是粒子在空間分布的描述函數(shù)，且沒有描述粒子的全部特性，所以也沒有對(duì)微觀粒子的波粒二象性作本質(zhì)上的描述。

3.4 量子場論時(shí)期

英國物理學(xué)家狄拉克在處理電磁場與量子化時(shí)引入了量子場的概念，即微觀粒子都存在著一種對(duì)應(yīng)的場，利用場的激發(fā)作用產(chǎn)生粒子，激發(fā)作用的消失，粒子也隨之消失。不同的場之間進(jìn)行相互作用時(shí)，不同粒子之間也進(jìn)行著相互的轉(zhuǎn)換。

利用此理論，原來連續(xù)分布的量子場經(jīng)過量子化處理便可以得到量子化和總角動(dòng)量的結(jié)論。因此，量子場論從根本上既區(qū)別于微觀粒子二象性的描述，又有別于相對(duì)論量子力學(xué)的描述。量子場論將Φ定義為客觀存在的量子場的場函數(shù)的描述，即場函數(shù)的量子化即可得到對(duì)應(yīng)場的量子化。所以說，量子場論關(guān)于波粒二象性統(tǒng)一的描述符合了微觀粒子的本質(zhì)規(guī)律。

4 結(jié)論

對(duì)光的波粒二象性理解的基礎(chǔ)就是對(duì)光的物質(zhì)本性和粒子本性有一個(gè)正確的觀念，由于光子本身就是自然界中的一種波，所以它具有波動(dòng)性。又由于光子具有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?？梢哉f，光的波粒二象性是微觀物質(zhì)的基本屬性之一，對(duì)物質(zhì)這樣的兩種描述歸于一體，存在如下兩種原因；一種是我們不能放棄物質(zhì)的實(shí)體性，即粒子的特性。另一種是在描述物質(zhì)基本粒子的狀態(tài)中，采用波的描述狀態(tài)中和物質(zhì)實(shí)體本身的描述吻合。

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