什么是光的波粒二重性

【專(zhuān)家解說(shuō)】：德國(guó)科學(xué)家愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）堅(jiān)信宇宙中一切物理現(xiàn)象的背后都蘊(yùn)藏著完整的統(tǒng)一性，因此，麥克斯韋的電磁學(xué)理論必須要與經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。愛(ài)因斯坦為了解決這一矛盾，做出了一個(gè)假設(shè)：假設(shè)有個(gè)人能夠達(dá)到光的速度，與光并肩齊行，那么他就會(huì)發(fā)現(xiàn)靜止的光。但是，根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)原理，振動(dòng)的電磁波是不可能觀測(cè)到的，而且波也不可能處于靜止?fàn)顟B(tài)，也就是說(shuō)，宇宙中不可能存在光在靜止?fàn)顟B(tài)的參照系，對(duì)于任何一個(gè)參照系來(lái)說(shuō)，都只有屬于這個(gè)參照系的時(shí)間與空間。因此，愛(ài)因斯坦確信，光在所有參照系中速度必然相同。根據(jù)這一物理法則，愛(ài)因斯坦進(jìn)行了多年的探索和研究，1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)聯(lián)系，引起了物理學(xué)基本概念的重大變革，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新世紀(jì)；提出了光量子論，解釋了光電現(xiàn)象，揭示了微觀客體的波粒二重性，用分子運(yùn)動(dòng)論解決布朗運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能之間的相當(dāng)性，在理論上為原子能的釋放和應(yīng)用開(kāi)辟道路。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與麥克斯韋的電磁學(xué)理論完美地結(jié)合在一起，從而推動(dòng)了物理學(xué)上的一次意義深遠(yuǎn)的重大革命。 1913年,丹麥物理學(xué)家玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）以《論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造》為題發(fā)表了長(zhǎng)篇論文,為20世紀(jì)原子物理學(xué)開(kāi)辟了道路。他采用了當(dāng)時(shí)已有的量子概念,提出了幾條基本的“公設(shè)”,提出了至今仍很重要的原子定態(tài)、量子躍遷等概念，有力地沖擊了經(jīng)典理論,推動(dòng)了量子力學(xué)的形成。玻爾認(rèn)為,按照經(jīng)典理論來(lái)描述的周期性體系的運(yùn)動(dòng)和該體系的實(shí)際量子運(yùn)動(dòng)之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一對(duì)應(yīng)原理成為從經(jīng)典理論通向量子理論的橋梁。玻爾對(duì)各種元素的光譜和X射線譜、光譜線的(正常)塞曼效應(yīng)和斯塔克效應(yīng)、原子中電子的分組和元素周期表,甚至還有分子的形成,都提出了相對(duì)合理的理論詮釋。 1916年美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·密立根(Robert Andrews kan,1868～1953)發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的光量子說(shuō)。 美國(guó)物理學(xué)家康普頓（Arthur Holly Compton，1892～1962）1921年在實(shí)驗(yàn)中證明了X射線的粒子性。1923年他發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)，這是近代物理學(xué)的一大發(fā)現(xiàn)。按經(jīng)典波動(dòng)理論，靜止物體對(duì)波的散射不會(huì)改變頻率。而按愛(ài)因斯坦光量子說(shuō)這是兩個(gè)“粒子”碰撞的結(jié)果。光量子在碰撞時(shí)不僅將能量傳遞而且也將動(dòng)量傳遞給了電子，它進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性。 1924年，奧地利物理學(xué)家泡利(Wolfgang Ernst Pauli，1900～1958)發(fā)表了“不相容原理”：原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處于同一量子態(tài)．這一原理使當(dāng)時(shí)許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題得以圓滿解決，對(duì)所有實(shí)體物質(zhì)的基本粒子（通常稱(chēng)之為費(fèi)米子，如質(zhì)子、中子、夸克等）都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)——費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的基點(diǎn)。 法國(guó)物理學(xué)家德布羅意(Louis Victor due de Broglie, 1892-1987)由光的波動(dòng)和粒子兩重性得到啟發(fā)，他大膽地把這兩重性推廣到物質(zhì)客體上去。他在1923年9～10月間，連續(xù)發(fā)表三篇短文：《輻射——波和量子》、《光學(xué)——光量子、衍射和干涉》、《物理學(xué)——量子、氣體動(dòng)理論及費(fèi)馬原理》。1924年，在他的博士論文《量子論研究》中，他全面論述了物質(zhì)波理論，這一理論以后為薛定愕接受而導(dǎo)致了波動(dòng)力學(xué)的建立。德布羅意把愛(ài)因斯坦關(guān)于光的波粒二象性的思想加以擴(kuò)展。他認(rèn)為實(shí)物粒子如電子也具有物質(zhì)周期過(guò)程的頻率，伴隨物體的運(yùn)動(dòng)也有由相位來(lái)定義的相波即德布羅意波，后來(lái)薛定愕解釋波函數(shù)的物理意義時(shí)稱(chēng)為“物質(zhì)波”。德布羅意在并無(wú)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的條件下提出的新理論在物理學(xué)界掀起了軒然大波。 1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）鑒于玻爾原子模型所存在的問(wèn)題，拋棄了所有的原子模型，而著眼于觀察發(fā)射光譜線的頻率、強(qiáng)度和極化，利用矩陣數(shù)學(xué)，將這三者從數(shù)學(xué)上聯(lián)系起來(lái)，從而提出微觀粒子的不可觀察的力學(xué)量，如位置、動(dòng)量應(yīng)由其所發(fā)光譜的可觀察的頻率、強(qiáng)度經(jīng)過(guò)一定運(yùn)算（矩陣法則）來(lái)表示。他和玻爾等合作，建立了量子理論第一個(gè)數(shù)學(xué)描述——矩陣力學(xué)。1927年，他闡述了著名的不確定關(guān)系，即亞原子粒子的位置和動(dòng)量不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，成為量子力學(xué)的一個(gè)基本原理。 1926年，奧地利理論物理學(xué)家薛定愕（Erwin Schrodinger，1887～1961）提出了描述物質(zhì)波連續(xù)時(shí)空演化的偏微分方程——薛定愕方程，給出了量子論的另一個(gè)數(shù)學(xué)描述——波動(dòng)力學(xué)。后來(lái)，物理學(xué)家把二者將矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，統(tǒng)稱(chēng)量子力學(xué)。 1927年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維森（Clinton Joseph Davisson，1881～1958）、革未（Lester Halbert Germer，1896～1971）及英國(guó)的湯姆遜（George Paget Thomson，1892～1975）通過(guò)電子衍射實(shí)驗(yàn)，都證實(shí)了電子確實(shí)具有波動(dòng)性。至此，德布羅意的理論作為大膽假設(shè)而成功的例子獲得了普遍的贊賞。以后，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)又觀察到原子、分子……等微觀粒子都具有波動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)證明了物質(zhì)具有波粒二象性，不僅使人們認(rèn)識(shí)到德布羅意的物質(zhì)波理論是正確的，而且為物質(zhì)波理論奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)從十七世紀(jì)初開(kāi)始，至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間。牛頓、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等多位著名的科學(xué)家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手。正是他們的努力揭開(kāi)了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗?？缡兰o(jì)的爭(zhēng)論引出了量子力學(xué)的誕生，它是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)，是20世紀(jì)人類(lèi)文明發(fā)展的一個(gè)重大飛躍，引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。我們的現(xiàn)代文明，從電腦、電視、手機(jī)到核能、航天、生物技術(shù)，幾乎沒(méi)有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴(lài)于量子論。