什么是“物质粒子的波粒二象性”?

什么是“物质粒子的波粒二象性”?

波粒二象性（wave-particle duality）是指一切物质同时具备波的特质及粒子的特质.波粒二象性是量子力学中的一个重要概念.在经典力学中,研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子.前者的典型例子是光,后者则组成了我们常说的“物质”.1905年,爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质.1924年,德布罗意提出“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性.根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实.光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性.光的干涉和光的衍射现象确凿地证实光具有波动性.1900 年 M.普朗克提出能量子假说说明黑体辐射实验规律后,1905年A.爱因斯坦提出光子假设,很好地解释了波动学说无法说明的光电效应,1923年光子学说进一步为A.H.康普顿效应所证实,从而揭开了波粒二象性的序幕.1924年L.V.德布罗意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,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,与实物粒子相联系的波（ 物质波）的频率v和波长λ与粒子的能量E和动量p的关系分别为v＝E／h λ＝h／p式中 h为普朗克常量.德布罗意的新思想不久就被实验所证实,1927年C.J.戴维孙和 L.H.革末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；同年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.在经典物理学中,波动现象是弥漫于空间传播的,而粒子的运动具有一定的轨道 ,波动性和粒子性是格格不入的,不相容的.例如考虑两组类似的实验,一组是经典粒子犹如子弹射向靠得很近的双孔,在双孔后面的屏上接收.当两个小孔都打开时,粒子既可穿过这一小孔,又可穿过另一小孔,在屏上接收到的是两个小孔分别打开时屏上弹痕分布的简单叠加.另一组是一束波射向靠得很近的双孔,同样在双孔后面的屏上接收.当双孔都打开时,波通过双孔产生干涉效应,屏上的强度分布会出现明显的干涉条纹,与两个单孔衍射强度分布的简单叠加截然不同.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 .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.“波”和“粒子”的数学关系物质的粒子性由能量 E 和动量 p 刻划,波的特征则由频率 ν 和波长 λ 表达,这两组物理量由普朗克常数 h 所联系.历史在十九世纪末,日臻成熟的原子理论逐渐盛行,根据原子理论的看法,物质都是由微小的粒子——原子构成.比如原本被认为是一种流体的电,由汤普孙的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成.因此,人们认为大多数的物质是由粒子所组成.而与此同时,波被认为是物质的另一种存在方式.波动理论已经被相当深入地研究,包括干涉和衍射等现象.由于光在托马斯·杨的双缝干涉实验中,以及夫琅和费衍射中所展现的特性,明显地说明它是一种波动.不过在二十世纪来临之时,这个观点面临了一些挑战.