波粒二象性

作者: Leandro Alegsa 创建日期: 2022年9月17日

波粒二象性也许是物理学中最令人困惑的概念之一，因为它与我们在普通世界看到的任何东西都不一样。

17世纪和19世纪研究光的物理学家们曾就光是由粒子还是由波组成进行过争论。光似乎两者都做。有时，光似乎只走直线，好像它是由粒子组成的。但其他实验表明，光有一个频率和波长，就像声波或水波。直到20世纪，大多数物理学家都认为，光要么是一种，要么是另一种，而争论的另一方的科学家根本就错了。

目前情况

马克斯-普朗克、阿尔伯特-爱因斯坦、路易斯-德布罗格利、阿瑟-康普顿、尼尔斯-玻尔都曾研究过这个问题。目前的科学理论是，所有粒子既像波又像粒子。这一点对于基本粒子以及像原子和分子这样的复合粒子已经得到了验证。对于宏观粒子来说，由于它们的波长极短，波的特性通常无法被检测到。

实验

1909年，一位名叫杰弗里-泰勒的科学家决定，他要一劳永逸地解决这个争议。他借用了托马斯-杨早先发明的一个实验，即通过两个紧挨着的小孔照射光线。当强光照过这两个小孔时，它产生了一种干涉模式，似乎表明光实际上是一种波。

泰勒的想法是用一台对光异常敏感的特殊相机对从孔中出来的光进行拍照。当强光照射到孔中时，照片显示出一种干涉模式，就像杨早些时候显示的那样。然后，泰勒将光线调低到一个非常暗的水平。当光线足够暗时，泰勒的照片显示出从孔中散射出的微小光点。这似乎表明，光实际上是一种粒子。如果泰勒让昏暗的光线通过孔洞照射足够长的时间，这些小点最终会填满照片，再次形成一个干涉图案。这证明了光在某种程度上既是一种波又是一种粒子。

更加令人困惑的是，路易-德-布罗格利提出，物质也可能以同样的方式行事。科学家们随后用电子做了这些相同的实验，并发现电子也在某种程度上既是粒子又是波。电子可以被用来做杨氏双缝实验。

今天，这些实验已经由许多不同的人以许多不同的方式完成，科学家们简单地接受了物质和光在某种程度上既是波又是粒子。科学家们仍然不确定这怎么可能，但他们非常肯定这一定是真的。尽管似乎不可能理解任何东西如何既是波又是粒子，但科学家们确实有一些描述这些东西的方程式，其中有波长（波的特性）和动量（粒子的特性）的变量。这种看似不可能的现象被称为波粒二象性。

基本理论

波粒二象性意味着所有粒子都显示出波和粒子的特性。这是量子力学的一个核心概念。像 "粒子 "和 "波 "这样的经典概念并不能完全描述量子尺度物体的行为。

作为波的粒子

一个电子有一个波长，叫做 "德布罗格利波长"。它可以用以下公式计算

λ D = h ρ {displaystyle {lambda _{D}={frac {h}{rho }}. $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {displaystyle λ _{D}} $\lambda _{D}$ 是德布罗格利波长。

h {displaystyle h} $h$ 是普朗克常数

ρ {displaystyle \rho } $\rho$ 是粒子的动量。

这使得原子中的电子呈现出一种驻波模式的想法。

作为粒子的波

光电效应表明，一个具有足够能量（足够高的频率）的光子，可以使一个电子从金属表面释放出来。这种情况下的电子可以被称为光电子。