德布罗意的物质波的频率会小于普朗克长度,到底是谁错了?

时间的侧面


先改一下题目错误,应该是“物质波的波长会小于普朗克长度”。

先说一下物质波(德布罗意波)

路易.德布罗意是一个真正的贵7代,是第七代德布罗意公爵。上一代是他的哥哥(也是物理学家)。这家伙从小就绝顶聪明,学啥会啥。读完中学后不知道学啥专业,就跑去学了历史。历史学了半拉子,看了庞加莱写的两本科学著作后,发现自己爱上了物理学。然后就转去学习物理,期间还当了两年小兵,参加了第一次世界大战。回来后继续读物理学专业。

图:路易.德布罗意



1924年,在光具有波粒二象性的启发下,德布罗意认为物质也具有这样的属性。于是他在博士论文中推导出了物质波的公式:

这个理论简直是太超前,几乎没人相信这个理论。他的导师朗之万也觉得太离经叛道了,于是就将论文寄给爱因斯坦看。爱因斯坦因为很忙,草草看了一下,给出了肯定的结论:“他已经掀起了面纱的一角”!

有了爱因斯坦的支持,这一理论传遍了物理学界。德布罗意也得到了他想要的博士学位。在三年后,这一理论就得到实验验证。而且启发了 薛定谔写出了薛定谔方程。

这一理论说明了所有的物质都具有波粒二象性,而且宏观物体同样具有波动性。

例如:一粒1千克的炮弹以每秒1000米的速度飞行(为了计算方便随便设置的数字,军事迷就不要杠了)。

它的物质波波长就是:6.626×10∧-37米。这比原子的直径10∧-15米还小,甚至比普朗克长度1.616×10∧-35还小。

这里再说一下普朗克长度的意义

普朗克长度是理论上能够探测的尺度下限。我们探测物体必须要发射一束电磁波到物体上,它会反射回来,并被探测到。这就像我们要看见一个物体时,物体反射的光进入我们的眼睛,我们才能看见它一样。

图:普朗克

物体太小时,必须发射波长更短的电磁波去探测它。波长就象卡尺一样。但波长越短,它所含的能量就越高。

这时,如果需要探测一个极小尺度的粒子,就需要发射一束波长极短的电磁波去探测。这个能量会高到撞击到微小粒子时,粒子会成为一个量子黑洞。探测就失败了~黑洞会吞噬掉光子。这个极小尺度就是普朗克长度:1.616×10∧-35米。所以,在物理学里,低于普朗克尺度的长度是无意义的。

需要注意的是,普朗克长度是一个计算值,而不是测量值。人类远达不到测量如此之小尺度的能力。

1千克炮弹飞行时的物质波波长低于普朗克长度,这并不是错误的。这只能说明宏观物体的物质波是理论上无法被探测到的。


讲科学堂


说起德布罗意的物质波,就不得不提他那被评为史上最牛毕业论文了,而德布罗意物质波的概念,就是出自此论文。

德布罗意家族显赫,其父亲当过法国总理和外交部长等职。所以生活环境的优厚造成了德布罗意成为类似于现在“王思聪一样的国民老公的待遇”。不过,唯一和思聪不同的是,德布罗意极其聪明。不仅他,他的哥哥也是聪明至极,是实验物理学家,还是法国公爵兼德国亲王,地位极其显赫。而德布罗意本科是历史学专的,后来实在闲着无聊去读了5年博士,最后交的博士论文竟然是一页纸!!!该论文给出了德布罗意波动方程,但是奈何太骇人听闻,其导师朗之万害怕过不了,所以把德布罗意的论文邮寄给了爱因斯坦求其给予支持,给爱的信中写道:“请您给此论文一个评价,顺便给您介绍一下,此论文作者父亲是敝国内阁部长,如您不惜给出评价,相信您来敝国一定会收到隆重接待”。

这样的信显然是带有威逼利诱的,不过爱因斯坦看到德布罗意的创造性思维之后,真的给予其了高度评价:“揭开了改领域大幕的一角”。有了爱因斯坦的支持,德布罗意的论文立马收到了物理学界的关注,特别是当时还是一位郁郁不得志的讲师薛定谔看到后,深受启发。闭关了整整一年,悟出了绝世大作:薛定谔波动方程。自此,德布罗意关于物质波的描述不仅帮助其顺利拿到了博士论文,并得了诺贝尔奖;还改变了薛定谔的命运,使其一跃成为当时最著名的量子物理学家之一,并因此也获得了诺贝尔奖。一页纸的博士论文,帮助两个人活得诺贝尔奖,也算是前无古人后无来者了。

德布罗意波,指的是微观粒子而非宏观物质的波

言归正传,德布罗意波动方程正是参考了光的波粒二象性实验而提出的,他认为不仅仅是光,其它微观粒子也具有波动性。注意,这里是微观粒子,并不是说的宏观物质。当然了,现在把德布罗意的波动概念拓展到宏观物质也行,比如一个运动的汽车,但是这么计算下来,其波长会远小于普朗克长度,变得毫无意义。所以,德布罗意波动方程比较适合微观基本粒子,比如质子、中子、电子等质量很小的粒子,这样得出的波长是大于普朗克长度的,是有意义的。比如我们通过计算,可以得到200ev电子的波长是0.87埃,即0.087nm,远远小于一般晶体的晶格间距。所以,想要看清楚电子的衍射图形,需要使用特殊的晶体做衍射光栅才行。而物质波的证明,也正是利用这种方式。

德布罗意波是概率波,并非真实的机械波

虽然德布罗意得出了物质波的波长公式,提出了物质波概念,薛定谔据此得出了量子的波动方程,但是这位两自己都没有搞清楚自己所提出概念的物理意义。直到过去很久,才有物理学界玻恩给出了物质波的物理学意义,即物质波是概率波,它表示微观粒子在空间上某个点出现的概率。比如德布罗意电子波,就是电子在空间某点出现的概率波,可以用一个概率函数来表示,即薛定谔方程。可惜的是,薛定谔一直不承认玻恩对自己波函数的解释,他和爱因斯坦一样,都认为上帝不会掷骰子来决定宇宙如何运行。

德布罗意波在实际生活中的应用实例

很多人觉得德布罗意波就是一个晦涩难懂的物理学公式而已,在现实生活在毫无用处。然而并非如此,德布罗意波在某些科技领域给予了我们极大帮助,比如我们现在分辨率最高的使用最广泛的显微镜(电镜):透射电镜,就涉及到了德布罗意波。

我们都知道,显微镜的分辨率公式为:σ=λ/N;式中σ为最小分辨距离;λ为光线的波长;N为物镜的数值孔径。因为可见光的波长有一个最小值,所以想要提供显微镜分辨率只能够加大物镜的数值孔径。但是物镜再改造和优化。其数值孔径也有一个极限值。所以很长一段时间内,科学家对此毫无办法,想要看清楚物质的围观形貌,简直难于上青天。

好在德布罗意波出现了,德布罗意波可以是基本粒子波,这些粒子的波比光子小的多,所以如果使用这些粒子波,那么显微镜的分辨率无疑会提升很多倍。所以,科学家经过论证,发明了利用电子束作为波的电子投射显微镜(投射电镜),利用这种电镜,我们可以看清楚很多物质的微观形貌,其分辨率可以达到埃米级!而现在纳米科技如此蓬勃发展,这和投射电镜是完全分不开的。

所以德布罗意的贡献,是划时代的,无与伦比的。向德布罗意致敬!


科学探秘频道


频率的单位是赫兹,普朗克长度单位是米,如何比较大小?


Ztopkuang


题主在偷换概念。其实这是两个不同的概念,德布罗意物质波并不代表实际的波动,而是指粒子出现在某一位置的几率,是几率波!普朗克长度是人类认知的最小长度,低于此长度的数据对于我们来讲没有任何意义和必要。


唐文耀1


哈哈😄,写错啦,是波长。


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