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      對(duì)波粒二象性的理解與認(rèn)識(shí)

      2012-07-06 08:11:02顧婷婷
      科技傳播 2012年7期
      關(guān)鍵詞:波動(dòng)性光子量子

      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。

      [1]李一新.對(duì)“光的波粒二象性”的認(rèn)知與教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2004(11).

      [2]包向飛.質(zhì)能互等式E=mc-2的一個(gè)簡單推導(dǎo)[J].科學(xué)之友(B版),2009(10).

      [3]侯保才.光學(xué)課程與其它物理課程的聯(lián)系[J].開封教育學(xué)院學(xué)報(bào),1992(1).

      [4]泉文.讓光子生產(chǎn)工廠化[J].初中生必讀,2008(10).

      [5]陳仁政.康普頓效應(yīng)的歷史功績[J].自貢師范高等??茖W(xué)校學(xué)報(bào),1992(4).

      [6]葛太平. 2005年高考物理綜合訓(xùn)練[J].中學(xué)理科,2005(5).

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