Alevel同学的梦魇:物理波粒二象性,到底是咱回事?

Alevel 物理中我们所学过的波粒二象性是很多同学的梦魇,本来波就很难理解了,再加上粒子的特性,很多同学对这部分的理解一直紧紧停留在表面上,那么今天,我们在这里对波粒二象性进行一个剖析,帮助同学们一探究竟;

所谓波粒二象性其实是量子物理中最著名的思想之一,这里的波粒二象性其实指的是物质既是波又是粒子,这个理论其实从粒子的角度来解释,可以理解为用像的位置,动量的大小和方向来描述他们;从波的角度意味着在场中的传播。

在我们的Alevel课本(CIE)我们对于波粒二象性的解释实现从波的特性开始的,然后是从粒子特性解释了物质;

但是在历史的发展中却不是这样的:在最早约公元前500年古希腊的哲学家,提出光是有一股非常非常小的微粒构成,在接下来的几百年中,对于粒子特性的支持中最有名的莫过于“艾萨克·牛顿”

(没错,又是他)

虽然他承认单个光电子在碰撞时候会像波一样存在彼此干扰,但是本质上讲光还是粒子,受其影响,粒子说一直保持很长时间的影响,但是苦于当时的实验设备比较落后,所以理论学说的存在也就是看谁的影响力大,并没有足够的实验来支撑这个理论,直到测量设备的改进,这个理论被彻底压制了。

这个实验就是大名鼎鼎的托马斯·杨于1802年进行的双峰干涉实验(Alevel同学应该很熟悉了)

▲双缝干涉实验及其图案

实验可以简单描述为光照射在拥有两条非常窄缝隙的光屏上,两条窄缝的间距很小,透过这两个窄缝的光照在光屏后方的屏幕上呈现出了明暗相间的条纹。

我们可以假设如果光是由直线运动的粒子组成,那么在窄缝后的屏幕上看到的应该是两条亮线,但是现实却不是这样的,我们实际看到的如上图右侧的图样,杨认为这样的明暗相间的条纹是由于两束相干波的干涉效果造成的

并运用强大的数学计算,证明了这种相互干涉是由于波的特性造成的。

▲双缝干涉实验示意图

至此,光的波动学说开始广泛传播,整个过程持续了四五百年的历史,这个理论也得到了学术界的公认,也经受住了所有的挑战,下次,咱们看看究竟又是什么实验,让光的粒子性再次进入人们的视野,被大众认可的。

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