波粒二象性是普遍存在吗?如何理解?

三九天冬泳


单个的任意粒子都具有波动性和粒子性的观点,是量子力学的核心。这也是量子力学所讲述的微观世界与我们观察到的宏观世界最大的不同之处。

波动性、粒子性是所有微观粒子的普遍特征。而宏观世界中,波就是波,粒子就是粒子,两者是不可能对立统一起来的。例如,一块石头就是一块石头,一根波浪状摆动的跳绳就是一根跳绳,一个是单独的粒子,一个是单独的一列波,是截然不同的,具有对立的属性的。但是这种对立统一,在粒子身上不可思议地结合了起来,这正是微观世界中粒子的基本特征。

一个微观粒子,如果表现出波动性,粒子性的一面就会消失,如果表现出粒子性,则波动性的一面就会消失。这一点就像是两个孩子坐跷跷板,一个上来了,另外一个就下去了。或者说像是一枚硬币的正反面,你看到了正面,就看不到反面一样。

具体的波动性怎么理解呢?量子力学的正统学派认为,在波峰找到粒子的可能性是比较大的,而在波谷找到粒子的可能性较小。也就是波动性实际上是粒子出现在空间全部位置的概率的波状分布、演化。

粒子性指的是,若不对一个粒子进行干扰测量,它始终处于波动状态,就是说不能讨论此粒子具体出现的位置,或者说粒子不具有具体的位置。但若对它进行测量了,那么这种测量必然会干扰到粒子的波动性,使得粒子的波动性消失,实实在在地出现在某一个随机的位置,物理学中叫做波函数坍缩。

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物理科普


如果很难理解的话也对,这话怎么理解呢?我们大多数普通人,只能对自己日常生活中能碰到的,或者能够推断出的事物有理解能力。

而波粒二象性主要体现在微观世界中,虽然这一现象可以推到我们宏观世界中,但根据德布罗意波的计算,我们身边的物体由于能量相当大,导致其波长非常短,不可观察。

相反,在微观世界中,电子、光子的能量相对非常之小,其波动性就能很容易的被观察到。

λ=h/p(h:普朗克常量;p:动量。 λ:波长)
f=ε/h(h:普朗克常量;ε: 能量。f: 频率)

Jim兄


波粒二象性是普遍存在的吗?如何理解?

  1. 首先,从实验事实出发,光的干涉和衍射现象已经证明光的波动性,光电效应证实了光的粒子性,并给予光子(Photon)的概念。电子的晶格衍射实验证实了电子也具有波动性。光是一种电磁波。可见光是电磁波中一个波段区间。电子是构成物质世界的粒子(质子、中子、电子等)之一。光和物质粒子都具有波粒二象性。从这一个角度上说,波粒二象性是普遍存在的!
  2. 经典物理中我们熟知粒子模型和波的模型。描述一个粒子我们常常用动量、能量等概念;而描述波是常用波长、频率、振幅等概念。且波就是波,粒子就是粒子。没有那个物理模型把两者的概念联系在一起!
  3. 德布罗意提出的物质波概念,一个粒子的动量与波长通过普朗克常量联系起来。λ=h/p。如果我们把宏观粒子具有的普通的动量值带入上式,得到物体相应的波长极短。这就是宏观粒子波动性不明显的原因。
  4. 微观量子客体既不是经典的粒子也不是经典的波。它具有这两种图像。但它在实验中表现出其中一种图像时,另一种图像就会被压制。这就是实质。丹麦物理学家玻尔提出互补性原理来解释这一现象:“在量子力学框架中用经典物理学概念描述原子现象,不可能具有像经典物理学所要求的那种完全性,因此必须使用互相排斥又互相补充的经典物理学概念,才能对现象的各个方面提供一个完全的描述。”
  5. 这不是很完美的阐释,也没有让所有物理学家的信服。但这是基于我们与实验的关系。我们看到什么,然后我们用什么概念去描述。这似乎是被动的做法,我们没有更好的模型和概念去描述量子客体的本质,去消除量子物理中违反常识的一些结论。或许这也正是触摸到了人类的极限。

光电效应

电子衍射图样

杨氏双缝实验

来自网络


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