科普一下微观粒子、宏观物质的波粒二象性

 

       光是粒子还是波？17世纪时，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯反对牛顿的光的粒子说，而认为光是一种波，因为如果光是一种粒子，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，但是人们并没有发现这种现象。牛顿则坚持光的粒子说，因为光是沿直线传播的，如果光是波，就会扩散在空间中，而事实是物体能遮住光而形成阴影。

       波具有衍射与干涉的特征。所谓衍射，是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的现象；所谓干涉，是指两个或多个光波相互叠加时产生的强化与弱化的现象。18世纪初，英国物理学家托马斯·杨做了一个物理学史上最著名的实验之一——杨氏双缝干涉实验，证明了光具有衍射与干涉的特征，提供了光是一种波的有力证据。这个实验，就是让一束光照射到两条平行的狭缝（其宽度与光的波长大致相当）上，由于穿过狭缝的两个光波频率（在单位时间内波的震动次数）相同、相位（波形状态与波的位置等）差恒定，以致波峰与波峰、波谷与波谷都相互叠加，从而使狭缝后面的屏幕上出现了多道明暗相间的条纹（波峰相叠形成明条纹、波谷相叠形成暗条纹）。根据这些条纹的间距，托马斯·杨成功地测定了光的波长。19世纪下半叶，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立了电磁波理论，并指出光就是一种电磁波。不久，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证实了电磁波的存在，于是可见光、紫外线、红外线等等都被统称为电磁波。至此，人们都认为光是一种波。

       然而，后来人们又发现一些涉及光的实验并无法用电磁波理论去解释，说明把光仅仅看作是一种波也是大有问题的。时间到了20世纪，量子力学诞生并圆满地给出了一个最终答案：光既是一种波又是一种粒子，波粒二象性是光的一个最基本的属性。1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了能量量子化假设：电磁波辐射的能量不是连续的，而是一份一份的，即量子化的，其最小单位是能量量子。没过多少年，爱因斯坦建立的光子理论对光的波粒二象性一锤定音，把光同时赋予了粒子与波的属性，并给出了光子能量与光子动量2个重要公式。1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了一个原子结构模型，在这个模型中，电子通过辐射或吸收不同能量的光子而在不同轨道跃迁，不同波长的电磁波就是由不同能量的光子形成的。1923年，美国物理学家阿瑟·霍利·康普顿所做的康普顿散射（或称康普顿效应）实验，根据X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用而失去能量导致波长变长的现象，证实了光子的波粒二象性。

       不仅光具有波粒二象性，所有微观粒子都具有波粒二象性。1924年，法国物理学家路易·维克多·德布罗意提出了物质波（又称德布罗意波）假说，认为和光一样，一切微观粒子都具有波粒二象性。1927年，美国物理学家克林顿·戴维森与雷斯特·革末做了电子衍射实验，同时英国物理学家乔治·佩吉特·汤姆森也做了相同的实验，都证实了物质波的存在。由于物质粒子的波长很短，比如电子的波长一般相当于X射线的波长（10^-10米），所以直至1961年才由德国物理学家克劳斯·约恩松制作了仅为0.3微米（300纳米）宽的狭缝，完成了电子双缝干涉实验。随后，不断有更大的物质粒子的双缝干涉实验成功地进行。1988年，奥地利科学家进行了中子双缝干涉实验；1991年，德国科学家进行了原子双缝干涉实验；1994年的分子双缝干涉实验、1999年的60个与70个碳原子组成的大分子双缝干涉实验以及2012年超大分子的双缝干涉实验全都得以成功地进行。物质波的波长和粒子的动量（质量×速度）成反比。双缝干涉实验的结果显示，条纹间距与波长成正比，在光源到屏幕的距离相等的情况下，粒子的波长越短，条纹间距也越小。事实上，不仅微观粒子，宏观物质也同样具有波粒二象性，只是波长实在太短，短得感觉不出来，也无法测出来，只能表现出粒子性而无波动性。电子的质量为9.11×10^-28克，如果运动速度为10⁶米/秒，其波长为7×10^-10米；沙子的质量设0.01克，运动速度设1米/秒，则其波长为7×10^-29米；石子的质量设100克，运动速度设10米/秒，则其波长为7×10^-34米。总而言之，电磁波的波动性由其所携带的能量决定，能量越大，波长越短，波动性越强；物质粒子的波动性由其动量（质量×速度）决定，动量越大，波长越短，波动性越弱。

       物质粒子虽然同样具有波粒二象性，但它们的波长那么短，能有什么意义呢？它们的意义正在于波长很短。可见光的波长范围在几百纳米之间，所以光学显微镜的分辨率极限约200纳米，而高速电子的波长比可见光的波长短得多，所以电子显微镜迄今最大分辨率可达0.1-0.2纳米。

 

光的波长与频率

 

杨氏双缝干涉实验

 

电子双缝干涉实验

 

所有跟帖： 

• 这个干涉现在被一些院士称为量子纠缠。 -hkzs- ♂ (0 bytes) () 12/19/2023 postreply 23:31:22

• 量子纠缠应该跟这个性质不一样。量子纠缠指的是一对同时产生的粒子相互之间的行为的关联，而双缝干涉实验并不涉及粒子对。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 09:03:44

• 粒子都有波动特性，所谓纠缠，就是干涉。 -hkzs- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 09:43:15

• 粒子干涉是粒子波动造成的，量子纠缠跟波没有关系，不受光速的限制，而粒子的波都受限于光速。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 10:16:26

• 上x上+下x下, 是纠缠状态， 上x(上+下） 不是。和波动性是两回事。 -Scientist66- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 18:24:50

• 既然微观粒子有波粒二象性，为什么人类找粒子都用对撞机，就不能通过分波找吗 -aluminiums- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 04:00:00

• 很多理论预测的粒子平时都看不到的，而且有的很快就衰变了，比如通过大型对撞机发现的希格斯子的寿命只有百万亿分之一秒。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 08:23:33

• 大型对撞机把粒子加速到接近光速后撞击，产生高能，能量转化成质能，从而产生新的粒子。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 08:26:02

• 这种砸核桃的方法是利用粒子的物质性，但它们也是波，为什么不直接把一坨原子里各种粒子的波分出来找它们 -aluminiums- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 11:58:00

• 上面不是说过，很多粒子很快就衰变了，怎么来得及看？再说很多基本粒子比电子显微镜分辨率（10个负10次方米）小得多， -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 14:33:21

• 人们只能勉勉强强看到原子，原子核都看不到，更不要说电子（上限负19次方米）了，中微子更小得多，且运动速度几乎是光速。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 14:34:13

• 绝大部分粒子都是在快速运动的，而且很快衰变了，无法放在显微镜里看，除了是构成物质的稳定的长寿粒子。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 15:00:24

• the travel time of the particle < its life time? -passerby2016- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 12:39:28

• 用C60分子 或“[60]富勒烯”做了双缝实验，那可不可以用棒球或足球做双缝实验呢？ -赌城看客- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 16:53:37

• 不要说棒球或足球，连高速飞行的子弹，其波都比电子的波要短25个数量级（10的负35次方米），根本无法测量出来。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 18:02:49

• 10^-35米 = 1000亿亿亿分之1米。 -白云蓝天- ♂ (0 bytes) () 12/20/2023 postreply 18:07:12