對(duì)波粒二象性的理解認(rèn)識(shí)過(guò)程

宋霄森

摘 要：波粒二象性在被證實(shí)之前一直是備受爭(zhēng)議的，許多科學(xué)家在為波粒二象性的辨證過(guò)程中做出了重大的犧牲。1905年，愛(ài)因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，指出光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。點(diǎn)子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，這被后來(lái)的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。

關(guān)鍵詞：波粒二象性；電子衍射；光電效應(yīng)；電子

波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述，也可以部分地用波的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述。這意味著經(jīng)典的有關(guān)“粒子”與“波”的概念失去了完全描述量子范圍內(nèi)的物理行為的能力。愛(ài)因斯坦這樣描述這一現(xiàn)象：“好像有時(shí)我們必須用一套理論，有時(shí)候又必須用另一套理論來(lái)描述（這些粒子的行為），有時(shí)候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要借助兩種互相矛盾的的觀點(diǎn)來(lái)描述現(xiàn)實(shí)，兩種觀點(diǎn)單獨(dú)是無(wú)法完全解釋光的現(xiàn)象的，但是合在一起便可以?！?波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1905年，愛(ài)因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，人們開(kāi)始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，德布羅意提出“物質(zhì)波”假說(shuō)，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說(shuō)，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，這被后來(lái)的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。

一、笛卡兒提出的兩點(diǎn)假說(shuō)

在人們對(duì)物理光學(xué)的研究過(guò)程中，光的本性問(wèn)題和光的顏色問(wèn)題成為焦點(diǎn)。關(guān)于光的本性問(wèn)題，迪卡爾在他《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中提出了兩種假說(shuō)。一種假說(shuō)認(rèn)為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說(shuō)認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力。雖然笛卡兒更強(qiáng)調(diào)媒介對(duì)光的影響和作用，但他的這兩種假說(shuō)已經(jīng)為后來(lái)的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論埋下了伏筆。

二、格里馬第發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象

格里馬第設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：讓一束光穿過(guò)一個(gè)小孔，讓這束光穿過(guò)小孔后照到暗室里的一個(gè)屏幕上。他發(fā)現(xiàn)光線通過(guò)小孔后的光影明顯變寬了。格里馬第進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，這時(shí)得到了有明暗條紋的圖像。他認(rèn)為這種現(xiàn)象與水波十分相像，從而得出結(jié)論：光是一種能夠作波浪式運(yùn)動(dòng)的流體，光的不同顏色是波動(dòng)頻率不同的結(jié)果。格里馬第第一個(gè)提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)最早的倡導(dǎo)者。

三、牛頓用微粒說(shuō)闡述了光的顏色理論

在1672年，偉大的牛頓在他的論文《關(guān)于光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實(shí)驗(yàn)：讓太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對(duì)面的墻壁上會(huì)得到一個(gè)彩色光譜。他認(rèn)為，光的復(fù)合和分解就像不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_(kāi)一樣。在這篇論文里他用微粒說(shuō)闡述了光的顏色理論。第一次波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)的爭(zhēng)論由“光的顏色”這根導(dǎo)火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開(kāi)了漫長(zhǎng)而激烈的爭(zhēng)論。

四、惠更斯提出了波動(dòng)學(xué)說(shuō)比較完整的理論

惠更斯認(rèn)為，光是一種機(jī)械波；光波是一種靠物質(zhì)載體來(lái)傳播的縱向波，傳播它的物質(zhì)載體是“以太”；波面上的各點(diǎn)本身就是引起媒質(zhì)振動(dòng)的波源。根據(jù)這一論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現(xiàn)象和著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)。如果說(shuō)這些理論不易理解，惠更斯又舉出了一個(gè)生活中的例子來(lái)反駁微粒說(shuō)。如果光是由粒子組成的，那么在光的傳播過(guò)程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會(huì)導(dǎo)致光的傳播方向的改變。而事實(shí)并非如此。

五、牛頓的微粒學(xué)說(shuō)逐步的建立起來(lái)

牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作《光學(xué)》?；诟黝悓?shí)驗(yàn)，在《光學(xué)》一書(shū)中，牛頓一方面提出了兩點(diǎn)反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過(guò)障礙物、不會(huì)產(chǎn)生影子；第二，冰洲石的雙折射現(xiàn)象說(shuō)明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋其原因。另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個(gè)自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體 系融為一體，為微粒說(shuō)找到了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。

六、光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)

1808年，拉普拉斯用微粒說(shuō)分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動(dòng)說(shuō)。1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。在進(jìn)一步研究光的簡(jiǎn)單折射中的偏振時(shí)，他發(fā)現(xiàn)光在折射時(shí)是部分偏振的。因?yàn)榛莞乖岢鲞^(guò)光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為了反對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有利證據(jù)。1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律。光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的波動(dòng)說(shuō)陷入了困境，使物理光學(xué)的研究更朝向有利于微粒說(shuō)的方向發(fā)展。面對(duì)這種情況，楊氏對(duì)光學(xué)再次進(jìn)行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說(shuō)法，提出了光是一種橫波的假說(shuō)，比較成功的解釋了光的偏振現(xiàn)象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動(dòng)說(shuō)理論。楊氏把他的新看法寫(xiě)信告訴了牛頓派的阿拉戈。

七、菲涅耳與阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論

1815年菲涅耳就試圖復(fù)興惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，但他與楊氏沒(méi)有聯(lián)系，當(dāng)時(shí)還不知道楊氏關(guān)于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強(qiáng)度。事實(shí)上他的理論與楊氏的理論正好相反。后來(lái)阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關(guān)于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎(chǔ)開(kāi)始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對(duì)由兩個(gè)平面鏡所產(chǎn)生的相干光源進(jìn)行的光的干涉實(shí)驗(yàn)，繼楊氏干涉實(shí)驗(yàn)之后再次證明了光的波動(dòng)說(shuō)。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時(shí)間之后，轉(zhuǎn)向了波動(dòng)說(shuō)。1819年底，在非涅耳對(duì)光的傳播方向進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

八、新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)牢固的建立起來(lái)

1882年，德國(guó)天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象。在他之后，德國(guó)另一位物理學(xué)家施維爾德根據(jù)新的光波學(xué)說(shuō)，對(duì)光通過(guò)光柵后的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了成功的解釋。至此，新的波動(dòng)學(xué)說(shuō)牢固的建立起來(lái)了。微粒說(shuō)開(kāi)始轉(zhuǎn)向劣勢(shì)。隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，人們開(kāi)始為光波尋找載體，以太說(shuō)又重新活躍起來(lái)。一些著名的科學(xué)家成為了以太說(shuō)的代表人物。但人們?cè)趯ふ乙蕴倪^(guò)程中遇到了許多困難，于是各種假說(shuō)紛紛提出，以太成為了十九世紀(jì)的眾焦點(diǎn)之一。菲涅耳在研究以太時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是，橫向波的介質(zhì)應(yīng)該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)呢。

不久以后泊松也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動(dòng)中必然要有縱向振動(dòng)，這與新的光波學(xué)說(shuō)相矛盾。為了解決各種問(wèn)題，1839年柯西提出了第三種以太說(shuō)，認(rèn)為以太是一種消極的可壓縮性的介質(zhì)。他試圖以此解決泊松提出的困難。1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質(zhì)進(jìn)行類比，試圖說(shuō)明有些物質(zhì)既硬得可以傳播橫向振動(dòng)又可以壓縮和延展——因此不會(huì)影響天體運(yùn)動(dòng)。

九、愛(ài)因斯坦因光的波粒二象性獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，光的粒子性再一次被證明！二十世紀(jì)初，普朗克和愛(ài)因斯坦提出了光的量子學(xué)說(shuō)。在眾多科學(xué)家的不懈努力之下，在萬(wàn)眾注目的情況之下，光最終以同時(shí)具有波動(dòng)性說(shuō)和微粒說(shuō)的結(jié)果而告終。作為當(dāng)代新青年，我們要有勇于探索，不斷開(kāi)拓的創(chuàng)新精神，以不放棄的大無(wú)畏精生去探索浩瀚的物理海洋

參考文獻(xiàn)：

[1]潘篤武，上海，復(fù)旦大學(xué)出版社，1997

[2]石順祥 張海興 劉勁松 無(wú)力光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，西安電子大學(xué)出版社 2000.289-290

[3]果嶺，基本物理常數(shù)教學(xué)潛科學(xué)分析探索，四川師范大學(xué)，2002