对波粒二象性的理解

量子力学题目:专题理解：波粒二象性学生姓名专业学号班级指导教师成绩工程技术学院2016年1月1专题理解：波粒二象性前言：波粒二象性（wave-particleduality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在量子力学里，微观粒子有时会显示出波动性（这时粒子性较不显著），有时又会显示出粒子性（这时波动性较不显著），在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。但从经典物理学的观点来看，“微粒”和“波”是相互排斥的概念，或者说“波”与“微粒”是两种截然对立的存在。一个东西要么是波，要么是微粒，即“非此即彼”。那么究竟自由理解波粒二象性呢？通过对量子力学课程的学习以及查阅相关资料，我对其有了更深的理解并做了以下整理与总结。一、波粒二象性理论的发展简述较为完全的光理论最早是由克里斯蒂安·惠更斯发展成型，他提出了一种光波动说。稍后，艾萨克·牛顿提出了光微粒说。光的波动性与粒子性的争论从未平息。十九世纪早期，托马斯·杨完成的双缝实验确切地证实了光的波动性质。到了十九世纪中期，光波动说开始主导科学思潮，因为它能够说明偏振现象的机制，这是光微粒说所不能够的。同世纪后期，詹姆斯·麦克斯韦将电磁学的理论加以整合，提出麦克斯韦方程组。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做实验测量到的光波速度。麦克斯韦于是猜测光波就是电磁波。1888年，海因里希·赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波，证实麦克斯韦的猜测正确无误。从这时，光波动说开始被广泛认可。为了产生光电效应，光频率必须超过金属物质的特征频率，称为其“极限频率”。根据光波动说，光波的辐照度或波幅对应于所携带的能量，因而辐照度很强烈的光束一定能提供更多能量将电子逐出。然而事实与经典理论预期恰巧相反。1905年，爱因斯坦对于光电效应给出解释。他将光束描述为一群离散的量子，现称为光子，而不是连续性波动。从普朗克黑体辐射定律，爱因斯坦推论，组成光束的每一个光子所拥有的能量等于频率乘以一个常数，即普朗克常数，他提出了“爱因斯坦光电效应方程”。1916年，美国物理学者罗伯特·密立根做实验证实了爱因斯坦关于光电效应的理论。物理学者被迫承认，除了波动性质以外，光也具有粒子性质。在光具有波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意在1924年提出一个“物质波”假说，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。根据德布罗意假说，电子是应该会具有干涉和衍射等波动现象。1927年，克林顿·戴维森与雷斯特·革末设计与完成的戴维森-革末实验成功证实了德布罗意假说。2015年瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。2二、对波粒二象性的理解微观粒子既具有波的特性,又具有粒子的特性,那么微观粒子究竟是什么呢?如何理解微观粒子的波粒二象性呢?首先,让我们以对月亮的认识为例作个类比。月初时,月亮看来像是钩子;月圆时,月亮看来像是盘子。其实,它既不是钩子也不是盘子,而是像地球一样的球体。这一点直到”阿波罗”号载人飞船成功登月以后才得到了确认。可见,在没有找到恰当的概念去理解新现象时,人们总希望借助旧有的概念去描述它,因而往往难以描述得很确切。对微观粒子的认识也是一样:它既不是,弹丸,似的粒子,也不是,波浪,似的波。以电子为例,它通过晶体时产生干涉或衍射现象——表现出波动性(即叠加性);而当它通过威尔逊云室时又留下径迹——表现出粒子性(即整体性)。这就是说,人们要认识肉眼看不到的微观粒子,只能像,瞎子摸象,一样用仪器去摸，在某种条件下摸出来的象是波;在另一种条件下摸出来的象是粒子。微观粒子是新东西,用旧概念去反映它必然会感到蹩扭,这是不足为奇的。但是,科学毕竟是严谨的、客观的。研究表明:微观粒子既不是经典的波,也不是经典的粒子,它是具有波动和粒子双重特性的第三种客体,是波粒二象性的矛盾统一体。1、物体从宏观到微观，即物体由大到小改变时，量变将导致质变——使得微观物体的运动规律不能用牛顿定律来描述。3（1）宏观物体的运动具有严格的决定性规律：“一个宏观物体的运动规律或一种宏观物理现象的变化，只要知道了它的初始条件，原则上就能知道它以后的运动状态或变化状况。一个宏观物体可以在任何轨道上被连续跟踪。表示宏观物体各种物理性质的物理量原则上都可同时被确定”。（2）微观物体的运动不具有宏观意义的决定论。当一个宏观物体用二分法不停分割时，最初的变化仅仅是量的变化，仍可用牛顿运动理论来解决其速度、位移等问题；但当分割到一定程度时，物体的运动规律将发生质的变化，不能再用牛顿运动定律来描述其规律。为什么呢？我们知道，物理学是一门测量基础上的科学：而测量宏观物体的各物理量时，由于测量仪器对被测物体的影响相对于受到的其它力而言是很小很小的，完全可以忽略不计；而测量微观物体的各物理量时，由于测量仪器对被测物体的影响不满足宏观物体那样的条件，因此，测量仪器对被测物体的影响不能忽略，测量仪器和被测对象形成一个统一的不可分割的整体，即：“观测过程是一个不可分割的整体，观测结果是一个完整的不可分割的现象。”——显然，微观物体的运动规律不能象宏观物体那样具有完全的决定性。把电子或者光子当作微粒的描述,会产生许多难以避免的困难.我们常常看到的,在双缝衍射里一个粒子同时穿过两条狭缝,或者说它有一部分穿过一条狭缝,另一部分穿过另一条狭缝的各种说法,从根本上说来都是不对的.我们当然可以说清楚光(电磁波)是怎么穿过双缝衍射装置的,它是以相干态的形式穿过的.然而,相干态的光子数十分不确定的,所以我们不能够使用光子的语言去说明这种过程.在美国马里兰大学的一个实验组,成功地做了一系列精心设计的量子光学实验,企图表明量子力学的基本观念遇到了新的困难.但是,他们所说的解释上的困难,都是运用光子语言时遇到的困难.即这一类实验,本来就不适宜于运用光子语言去描述.撇开光子语言,运用以有关态函数为基础的正确描述方式,这些实验现象的解释,就完全不存在什么困难了。同样,把电子或者中子看作波动,也会产生解释上的困难.最后一个例子,2002年发表的对一个中子反弹实验的解释里,把薛定谔方程的定态解混同于经典物理学里的驻波,由此产生了一些不应有的误解.例如,有的评论里竟说“当粒子的运动受到限制,根据量子力学原理,物质的波动性质会导致相长和相消干涉构成了量子化的起源”等等.实际上,量子力学的基本原理里面根本没有“物质的波动性质”这一观点,只有薛定谔方程的解才是基本的;一切有关讨论必须以薛定谔方程为基础,不应当随意添加一些从经典物理学或者早期量子论里搬来的论据.正如费曼所说:每一样东西都既像这个,又像那个.所谓“二象性”,不过是反映了在量子力学的建立之前那一段混乱时期的困惑心理,有了薛定谔方程,就对电子的行为给出了恰当而精确的描述.不应当再用微粒或者波动之类的经典物理的概念去理解它们。2、微观物体的运动规律物体小到一定程度后，不能按牛顿运动力学来研究其运动规律，那么如何描述其运动规律呢？随着物理学的进一步发展和研究手段的进一步提高，发现单个微观粒子的运动是按一定几率出现的，即微观粒子的运动具有这样的特点——一个微观粒子在某一空间运动时，它没有特定的可预测的运动轨道，下一时刻它将在哪儿，可以说“它自己也不知道，它只知道达到哪儿的可能性大，达到哪儿的可能性小”。这就是微观物体运动具有几率性特征。4若对大量的微观粒子而言，某处达到粒子的几率大，该处的量就较强，反之，某处达到的几率小，该处的量较弱——即空间出现强弱不同的分布，这就是波的特征。3、光子是属于微观粒子，因此它的运动也不具有宏观意义的决定论，而具有几率的特征：对某一个光子而言，它将怎样运动，经过一段时间后，它敬爱责任感哪儿，在它到达以前是完全不可能预测的。但我们利用现代物理学可以计算出它到达某处的可能性的大小。可能性大——几率大，可能性小——几率小。从而对大量光子而言，某处的几率越大，该处光就强，也就越亮；反之，某处几率小，该处光就弱，也就越暗。从而出现明暗不同的区域，表现出波的特性——这就说明了光具有波粒二象性。4、孤立子理论的解释人们对物质波粒二象性的认识有一种倾向,认为物质粒子本质上是粒子,只是这种粒子带有波动性。人们的“物质粒子的波粒二象性”这种提法,就有意无意地隐含了这种思想。而对孤立子的认识却又有另一种倾向,即认为孤立子本身是波,但这种波因保持形状不变而具有粒子性。正是基于这样的认识,使人们已经认识到物质粒子和孤立子具有惊人的相似性。如果换一个角度来看孤立子和物质粒子的相似性,来研究为什么孤立子和物质粒子都具有波粒二象性,一切问题便迎刃而解。物质粒子并不是经典意义上的没有内部结构的“颗粒”,也不是其小无内的点粒子,物质粒子在本质上就是真空中的孤立子,或者说是真空中的孤立波。广义相对论表明,真空是可以变形的,引力场实际上就是一种不均匀的时空变形,引力场中的真空发生了不均匀的变形,时间的流逝也不均匀了。而且,真空的这种不均匀变形也可以在真空中传播,从而形成引力波。物质粒子实质上就是真空中的引力波由于其非线性和色散性的共同作用而形成的真空孤立波,或者说真空孤立子。总结：要正确的理解波粒二象性，首先要明白的是，我们不能用宏观物体的运动规律，即牛顿力学来描述微观物体，物体从宏观到微观由大到小改变时，量变将导致质变。其次认识到微观物体运动具有几率性特征，是一种概率波，并且其位置和动量具有不确定性：就如同研讨传播于细绳的波动在某时刻所处的准确位置是毫无意义的，粒子没有完美准确的位置；同样地，就如同研讨传播于细绳地脉波的波长是毫无意义地，粒子没有完美准确的动量。此外，假设粒子的位置不确定性越小，则动量不确定性越大，反之亦然。物质粒子所以具有波动性,是因为物质粒子本身就是真空中的一种波。最后认识到物质粒子就是真空中的孤立子,物质粒子的波粒二象性就很容易理解了。而所以物质粒子或者说真空中的这种波具有粒子性,是因为这种波由于其非线性和色散性的共同作用聚集在一起而不散开,从而形成稳定的“波包”,表现出粒子性。波粒二象性已经成为物理学中关于微观物质的基本属性之一。对物质这样的两种描述归于一体,存在如下两种原因;一种是我们不能放弃物质的实体性,即粒子的特性。另一方面,在描述物质基本粒子的状态中,采用波的描描述状态中,和物质实体本身的描述吻合。这样，对于波粒二象性的理解就更为清新、明了了。5参考资料：波粒二象性.百度百科.2015-11-23刘彬学.如何理解光的波粒二象性.百度文库.2012-10-19791090905.对波粒二象性的理解与认识.百度文库.2011-01-31杜仲.如何理解波粒二象性.科学之谜.2009.11A