关于微观粒子波粒二象性的讨论_实物粒子的波粒二象性

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关于微观粒子波粒二象性的讨论

关于光,现代读工科的人大致都知道光有波粒二象性;从量子物理中,不仅光,微观粒子都具有波粒二象性;宏观物质物质由微观粒子组成,也会表现出波粒二象性.一个名显的例子就是,物质大致都会辐射出一定频率的光谱,能过接收光谱可以分析物质.如军事上的红外追踪,夜视等技术.这从观念上是有点难以理解,活生生的人怎么就能波动了呢.但是理论上就是这样的.一般说来质量大的物质表现出强的粒子性,质量小的粒子表现出波动性.象光子这样的小质量,就是波动我典型,象宏观物质就是粒子的典型.微观粒子的波粒二象性不是同时能表现出来的,这就是不确定原理.这里量子物理我理论基础.玻尔认为不确定性原理是由于波粒二象性决定的;得布罗意说，任何物质都具有波的性质，同时具有粒子的性质，你不可能同时对这两种性质进行观察，你作为一个粒子来检测它时，会遗漏它作为波的性质；同样，你检验它波的性质，就会遗漏它粒子的特征。这和人的品格有多么相似呀.世界上大体上没有绝对的好人与坏人.人在一定的情况下是好人,在另外的情况下又是坏人.也就是说人既是好人又是坏人．在一个人某些情况下你只能看到他好的一面，在另外的情况下只能看到他坏的一面；或者在一些人看来，他是好的，另外的人则相反．但是事实上他确实是好人与坏人的混合体．这样的例子太多了，以至于所有人都能知道．说到这里，好象又有哲学的味道．

罗素看来对哲学作出了比较好的解释：＂哲学，就我对这个词的理解来说，乃是某种介乎神学与科学之间的东西。它和神学一样，包含着人类对于那些迄今仍为确切的知识所不能肯定的事物的思考；但是它又象科学一样是诉之于人类的理性而不是诉之于权威的，不管是传统的权威还是启示的权威。一切·确·切·的知识——我是这样主张的——都属于科学；一切涉及超乎确切知识之外的·教·条都属于神学。但是介乎神学与科学之间还有一片受到双方攻击的无人之域；这片无人之域就是哲学。＂

再回过头来看量子物理学，量子物理一定不是神学，那它是确切的知道吗．如果从量子力学的三大支柱来说，似乎是确切的．但是，就象量子物理简史中提到的，量子物理的解释就象上帝投骰子一样不确定，似乎没有确定．从这一方面来说，就是哲学．更有意思的是，根据量子物理，如果人们意识是想测量微观粒子的粒子性，它就表现出粒子性．如果人们意识是想测微观粒子的波动性，它就表现出波动性，这简直就是哲学．科学研究出来的竟是哲学问题．这说明了，就象罗素所理解的那样，量子力学其实还在发展之中．只能从物理现象上去解释，如果从理论上去解释，就要数学和物理学的共同进展了．电子的波动性和粒子性的统一

电子衍射的实验，无可争辩地证明了电子这种实物微粒的运动确实具有波动性，这种波动性和宏观的波有相似的地方，例如：都是实物或场的某种性质在空间和时间方面周期性的扰动的表现。究竟怎样把以连续分布于空间为特征的波动

性和以分立分布为特征的粒子性统一起来呢？波恩提出了较为合理的“统计解释”。

玻恩概率波

光和微观粒子的波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人困惑的问题，至今不能说问题已经完全解决（卢瑟福的α粒子散射实验证明物质的结构是核式的（这种模型被称为核式结构模型），原子如此，光子、电子、质子、大到天体都有自己的核心，都有绕核心运动的物质存在，每个核式结构体在运动中由于核式结构的特点，都做具有波动的直线运动，都有测不准的因素（不确定性原理）存在，都有量子化的物理特征，各有能级的存在，各有特定的能量吸收才可以发生跃迁。张各高中物理教师提出的自己的观点，欢迎指正）1926年M.玻恩提出概率波解释，较好地解决了这个问题。按照概率波解释，描述粒子波动性所用的波函数Ψ(x、y、z、t)是概率波，而不是什么具体的物质波；波函数的绝对值的平方

|ψ|2=ψ*ψ表示时刻t在x、y、z处出现的粒子的概率密度，ψ*表示ψ 的共轭波函数。在电子通过双孔的干涉实验中，|ψ|2=|ψ1+ψ2|2=|ψ1|2+|ψ2|2+ψ1*ψ2+ψ1ψ2*，强度|ψ|2大的地方出现粒子的概率大，相应的粒子数多，强度弱的地方，|ψ|2小，出现粒子的概率小，相应的粒子数少，ψ1*ψ2+ψ1ψ2*正是反映干涉效应的项，不管实验是在粒子流强度大的条件下做的，还是粒子流很弱，让粒子一个一个地射入，多次重复实验，两者所得的干涉条纹结果是相同的。

在粒子流很弱、粒子一个一个地射入多次重复实验中显示的干涉效应表明，微观粒子的波动性不是大量粒子聚集的性质，单个粒子即具有波动性。于是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在双孔实验中双孔又是同时起作用的，因此，对于微观粒子谈论它的运动轨道是没有意义的。由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵从的运动规律不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。

目前，人们对于物质波的本质，即它究竟有粒子的何种性质的扰动产生的，没有象经典的机械波或电磁波那样了解得具体。有待于对微观内部结构作进一步深入研究的基础上再来加深探索。不过，说电子等的运动有波性，决不能理解为一个电子象波那样分布于一个一定大小的空间区域，或理解为电子在空间的振动。目前，只能把它理解为电子运动时，它在空间不同区域出现的几率是由其波动性所控制的。此外，当我们说到电子等实物微粒具有粒子性时，也要注意到在某种条件下，它的运动规律是无法用经典力学规律来解释的。例如，从经典力学的“质点”观点看来，电子（即可以是大量的，也可近乎独立发射的）在同样条

件下，通过晶体应该到达照相底片上的同一点，而不应该有衍射现象。这就是说，在这些条件下电子是没有确定的轨道的，并不遵循牛顿力学定律，只表现有一定的与波的强度成正比的几率分布规律。这就是由“不确定关系”所精确地表达的。

目前还无实验显明单一粒子无波动性，即便某一理论证明波是大量粒子的统计分布，也无法否定单一粒子波动性，因为这在逻辑上是讲不通的，也无法说明大量粒子的统计分布中波的真正来源。

对单一粒子，比如氢原子，其核外电子亦是没有确定的轨道的，怎能说单一的电子没有波动性呢？其实，正是电子自身的波动性决定了其几率分布！

再有，如果说单一粒子无波动性，那么从质能关系上看，作为表征运动的能量概念，粒子的能量E=MC2中的能量是什么呢？它反映了什么运动呢？其所确切对应的Ｅ＝ｈν中ν的是什么含义呢？

还有，实验表明，一个粒子自身也可以产生干涉，单个“电子实体”如何通

过双缝？难道一个粒子同时可以通过两个缝？几率波是数学波，而电子波有真实的物理作用，数学波与物理实在的关系如何处理？

毫不奇怪，一个粒子同样具有“波粒二相性”--物质是运动的，没有不运动的物质，因此运动是物质的根本属性；而该属性在微观状态上必定表现为波动性。一个粒子表现为一条穿越时空的河，同时进入两个狭缝是必须的。不要把一个粒子想象为一个鸡蛋，粒子是一个电磁场的存在形式，电磁震荡是它的存在方式而这种粒子性是震荡中的一个态，通过狭逢的是另一个态，那个态是电磁波能的态，是粒子的质量转化为电磁波能的态，而波能态是可以同时绕过两个狭缝的。光的波粒二象性

状态。波函数具有叠加性，即，它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时，波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。

之所以在日常生活中观察不到物体的波动性，是因为他们的质量太大，导致特征波长比可观察的限度要小很多，因此可能发生波动性质的尺度在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之，对于基本粒子来说，它们的质量和尺度决定了它们的行为主要是由量子力学所描述的，因而与我们所习惯的图景相差甚远。德布罗意假设

爱因斯坦提出光的粒子性后，路易·维克多·德布罗意做了逆向思考，他在论文中写到：19世纪以来，只注重了光的波动性的研究，而忽略了粒子性的研究，在实物粒子的研究方面，是否犯了相反的错误呢？1924年，他又注意到原子中电子的稳定运动需要引入整数来描写，与物理学中其他涉及整数的现象如干涉和振动简正模式之间的类似性，由此构造了德布罗意假设，提出正如光具有波粒二象性一样，实物粒子也具有波粒二象性。他将这个波长λ和动量p联系为：λ=h/p=h/mv

m：质量 v：速度 h：普朗克常数

这是对爱因斯坦等式的一般化，因为光子的动量为p = E / c（c为真空中的光速），而λ = c / ν。

德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实。在贝尔实验室Clinton Joseph Davion和Lester Halbert Germer以低速电子束射向镍单晶获得电子经单晶衍射，测得电子的波长与德布罗意公式一致。在阿伯丁大学，G·P汤姆孙以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹，确凿证实了电子的波动性；以后又有其他实验观测到氦原子、氢分子以及中子的衍射现象，微观粒子的波动性已被广泛地证实。根据微观粒子波动性发展起来的电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为探测物质微观结构和晶体结构分析的有力手段。

德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。汤姆孙和戴维逊因为他们的实验工作共享了1937年诺贝尔物理学奖。