澳门葡京:分析光的波粒二象性

2018年4月15日

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  导读:光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性,又具有粒子特性。科学家发现光既能像波一样向前传播,有时又表现出粒子的特征。因此我们称光为“波粒二象性”。

  摘要:改变了人们对物质世界的根本认识的两大近代物理学理论的是量子论和相对论,这两大理论不仅是近代物理学的的两大支柱,而且对20世纪的科学技术发展和生产实践起到了决定性的推动作用。爱因斯坦相对论的提出,以相对的时空观取代了基于常识的绝对时空观,量子力学以物质粒子的波粒二象性为基础的概率来描述物质粒子的行为,使物质粒子的行为具有了神秘的不确定性。实物粒子的波粒二象性是物质的本性,是建立量子力学的实验基础,因此是一个非常重要的问题。对于一般大学生来说,特别不是物理专业的学生,几乎不能理解所谓的波粒二象性。现在科技突飞猛进,没有量子理论,就不会有微电子技术;没有量子力学作为工具,就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。因此大学生对波粒二象性的认识更应该深入,本论文综述了波粒二象性这一物理术语,并重点对波粒二象性发展历程和本质问题进行了深入的阐明。

  本文第一章介绍了波动说和微粒说的提出和发展,以及两大学说之间的争论,进而引出第二章波粒二象性的发展和深化,将波粒二象性由光推广到物质波。波动性和粒子性是光和物质粒子具有的特性。第三章描述了量子物理中不同时期关于波粒二象性的发展历程,但是在不同发展阶段的量子物理中,即使将这种二象性在同样的粒子中统一起来描述,其内容也不一样。实验和理论相结合才能形成系统的、完备的理论,第四章介绍了科学家们对验证波粒二象性所做的实验贡献。第五章论述了波粒二象性的本质——量子纠缠态。第六章介绍了对立统一的波粒二象性,微观粒子既具有波动的性质又具有粒子的性质,体现了唯物辩证法的对立统一。第七章介绍了了波粒二象性留存的主要问题,是关于光子静止质量和动质量,以及光的本性的问题。

  关键词:量子纠缠态; 波粒二象性; 对立统一; 光的本性

  Wave-particle duality of knowledge and understanding

  Abstract

  Two theories of modern physics has changed people's fundamental understanding of the physical world is quantum theory and relativity , these two not only are the two pillars of modern theoretical physics , but also for scientific and technological development of the 20th century onwards and production practices into a decisive role. Einstein's theory of relativity proposed to replace the absolute time and space relative time and space based on common sense , wave-particle duality of quantum mechanics to material particles based on the probability to describe the behavior of particles of matter , so that the behavior of matter particles have a mysterious uncertainty. Kind of wave-particle duality is the nature of matter particles , quantum mechanics is to establish an experimental basis , and therefore is a very important issue. For it is generally college students, especially students who are not physics , almost incomprehensible so-called light -particle duality . Now technological advances , there is no quantum theory , there would be no microelectronics ; no quantum mechanics as a tool , there can be progress in chemistry, biology, medicine, and every other key disciplines fascinating . Therefore, wave-particle duality of college students should know more in depth , this paper summarizes the wave-particle duality of the physical term , and focus on the development process of wave-particle duality and the nature of the problem in-depth elucidated.

  The first chapter describes the wave theory and corpuscular theory proposed and development, and the debate between the two theories , and thus leads to wave-particle duality and the development and deepening of the wave-particle duality of light extended to matter waves . Volatility and particles of light and matter particles have a characteristic . The second chapter describes the different stages of quantum physics about wave-particle duality of development, but in different stages of development of quantum physics , even this duality will unite in the same particles , the contents are not same. Experimental and theoretical system combining to form , complete theory , the third chapter describes the contribution of scientists to verify the experimental wave-particle duality made . The fourth chapter discusses the nature of wave-particle duality – quantum entanglement . The fifth chapter describes the wave -particle duality of opposites , both the nature of microscopic particles and volatile nature of the particles , reflects the dialectical materialism of opposites . Chapter VI describes the main problems of wave-particle duality retained , is moving on the photon rest mass and quality , as well as the nature of the light problem.

  Key words: Wave-particle duality Quantum entanglement opposites The nature of light

  第一章 波动说和微粒说的提出和发展

  光学是一门最古老的物理学分支之一。光的本性问题一直是人们十分关心和热衷探讨的问题。17世纪以来,随着科学技术的发展,波动说与微粒说之间的争论达到了空前激烈的地步,也就是物理学史上著名的微粒说与波动说之争。

  1.1波动说的提出

  17世纪中期,物理光学有了进一步发展。1655年,意大利波仑亚大学的数学教授弗朗西斯科•格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时,首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。随后,格里马第设计了一个实验:他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波的衍射十分类似,因此得出结论:光是一种能够作波浪式运动的流体,光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第是第一个提出“光的衍射”这一概念的科学家,是光的波动学说最早的倡导者。

  胡克是光的波动说的支持者。在格里马第实验的基础上,英国物理学家罗伯特•胡克重复了实验,他在观察了肥皂泡膜的颜色后,提出“光是以太的一种纵向波”的假说。胡克依据自己提出的假说,认为光的颜色是由它的频率所决定。

  波动说的又一支持者,荷兰著名天文学家、物理学家和数学家克里斯蒂安•惠更斯继承并完善了胡克的观点,惠更斯认为,光是一种机械波;光波是以“以太”为载体来传播的纵向波,其波源即是波面上引起媒质振动的各个点。以这个理论为依据,惠更斯成功证明了光的反射、折射定律,而且光的双折射、衍射现象和 “牛顿环”实验都得到了很好的解释。

  1.2微粒说的提出

  关于光的本性,光学大师牛顿是这样认为的:光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉,这就是光的微粒说。1666年,牛顿首先做了一个著名的三棱镜实验,让一束太阳光照射过第一个三棱镜后,太阳光分解成几种不同颜色的光谱带,再将其他颜色的光用一块带狭缝的挡板挡住,只允许一种颜色的光再通过次三棱镜,结果只有同种颜色的光射出,因此牛顿得出组成白光的是各种不同颜色的光的结论。随后,牛顿通过实验把几种颜色不同的单色光合成复色光,还通过计算各种颜色的单色光的折射率解释了光的色散现象。1672年,牛顿在他的 《关于光和色的新理论》一文中提出,光可能是球形的物体,这是他微粒说提出的初始形态,并用微粒说阐述了光的颜色理论 [1]。牛顿的微粒说成功地解释了光的直进、反射和折射现象。微粒说通俗易懂,对一些常见的光学现象又能完美地解释,因此很快得到了人们的承认和支持。

  1.3波动说和微粒说之争

  光的波动说和微粒说之间激烈的争论,从17世纪初开始到20世纪初,最终以波粒二象性告终。微粒说和波动说之间的最初的争论实际上是由“光的颜色”引起的。格里马第和胡克都认为光的颜色是由其频率决定的。惠更斯认为光是一种机械波,其观点也和格里马第的一样。但是牛顿则认为,物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。以胡克和牛顿为代表的两派之间由此展开了漫长而激烈的波粒之争。

  托马斯•杨在追求真理上并不盲目迷信权威,1801年,杨氏在发表的《关于声和光的实验和问题》一文中将光和声进行类比:二者在重叠后都有加强或减弱的现象。他认为光是在以太流中以纵波形式传播的一种弹性振动。杨氏在他的双缝干涉实验中,在白屏上得到的条纹是明暗相间的,从而证明了光的干涉现象。杨氏实验证明了光是一种波,他是用光的叠加原理来解释的。杨氏实验为光的波动说的建立奠定了基础。

  1809年,法国物理学家马吕斯发现了光的偏振现象,在进一步研究后,他发现光在传播时发生部分偏振是在光的折射现象中。根据惠更斯的纵波理论,纵波是不可能发生部分偏振的。但在1817年,杨氏提出光是纵波的假说,比较成功地解释了光的偏振现象。物理学家们发现的光的偏振现象,使当时的被人们普遍接受的波动说陷入了困境。光的偏振现象被认为是反对波动说的有力证据,使得对光的研究偏向微粒说的方向发展。

  第二章 波粒二象性的提出和深化

  2.1 光的电磁理论的建立

  1864年,英国数学物理学家麦克斯韦建立了电磁场方程组,并预言了电磁波的存在,认为光是具有一定频率范围的电磁波。1888年,电磁波存在的正确性被德国物理学家赫兹通过实验证明了。同年,赫兹又用实验测出电磁波在空气中的传播速度等于光在空气中的传播速度。接下来,赫兹在研究电磁波在固体表面的反射时,证明了电磁波的反射符合光的反射定律。赫兹在用棱镜研究电磁波偏折规律的实验中,发现其规律与光的偏折规律是一样的。此外,赫兹分别做了实验研究电磁波的干涉、衍射、偏振等现象,这些实验结果都证明了电磁波的性质与光波的性质相同。赫兹的实验不仅使得麦克斯韦电磁场理论得到证明,也使得光的电磁波理论的正确性得到证明。至此,光的电磁波理论将光的波动理论推上了一个新的阶段。

  7.3关于光的本性

  光由微粒组成,这一观点在物理学中已经定型。文献[13] 提出光的本性为规则间隔光子群的粒群波观点。其主要观点如下:

  (1)光由规则间隔的光子(光子群)组成。

  (2)光子相对于源(次源)的速度就是光速常数c。

  (3)通常构成光源的原子发射出的光子呈一排排。这一排中的相邻光子间有相同的间隔。

  光在近代物理学中扮演了一个极重要的角色,现在把光本性看作粒群波,则各种历史上涉及光速的实验可依据光速的伽利略变换,在完全的经典力学轨道上解释,这就轻易地消除了相对论的困境[14];把光看作粒群波,电磁波就不再是介质波,麦克斯韦方程组数学上的不自恰问题也能解决[14];光粒群波还可以很好地解释光的干涉、衍射等现象,无须引入以太,这就等于把光的波性和粒子性结合,澄清量子力学物理实质上的困境[14]。

  第八章 总结

  改变了人们对物质世界的根本认识的两大近代物理学理论的是量子论和相对论,这两大理论不仅是近代物理学的的两大支柱,而且对20世纪的科学技术发展和生产实践起到了决定性的推动作用。本论文在查阅大量相关书籍和文献的基础上,对波粒二象性进行了深入的理解,阐述了波粒二象性的提出和发展历程,便于大学生更好地认识和理解波粒二象性。关于波粒二象性的实验验证,由于知识的缺陷和实验设备的不足,没有能够真正的做实验来验证波粒二象性。

  目前,人们对波粒二象性的认识仍处于表面,所以进一步研究波粒二象性的本质尤为重要[14]。所以本论文在第四章论述了波粒二象性的本质是量子纠缠态,介绍了什么是量子纠缠态,并举例了电子的纠缠态和薛定谔猫态来帮助大家更好的理解波粒二象性的本质。第五章用唯物辩证法论述了对立统一的波粒二象性。论文的第六章探讨了波粒二象性留存的问题,波粒二象性理论在20世纪确实取得了惊人的成就,对科学的发展和人类进步有着重大作用,但还存在一些让人困惑的疑点,所有在新世纪中还需要继续努力探索。

  参考文献

  [1]李艳萍,申先甲.物理学史教程[M].北京:科学出版社,2003,117-141.

  [2]WHEELER J A,ZURK W H.Quantum Measurement[M].Princeton Univ Press.1983,50.

  [3]赵凯华.新概念量子物理[M].北京:高等教育出版社,2001,331-388.

  [4]顾婷婷.对波粒二象性的理解与认识[J].科技传播,2012,07(13):75-76

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