如何理解光的波粒二象性?

時間 2021-05-06 19:56:16

1樓:改革哥哥

我最近在上量子力學的課程,課程作業我就寫了個對於這個問題的理解。自己感覺挺能說得通,當然自己的理解很淺薄,有錯誤希望大佬指正我。

首先解釋一下波粒二象性。波粒二象性就是在說微觀粒子同時具有粒子的顆粒性,有質量、電荷這種特性,同時具有波的相干疊加性。人們覺得無法理解波粒二象性主要是在於跟我們日常觀察得到的生活經驗太不一樣了。

在我看來,所謂波粒二象性其實跟粒子性都是乙隻母雞下的蛋。想想我們得到巨集觀物質具有粒子性思維的背後邏輯,是因為巨集觀物質具有質量、電荷、確定的位置跟速度這些特性,我們將這些特性歸結為粒子性,所以就稱巨集觀物質具有粒子性。那麼對於波粒二象性,我們因為實驗現象觀察到粒子具有質量同時會發生相干疊加,我們將這些特性歸納為波粒二象性,所以就稱微觀粒子具有波粒二象性。

這跟得到粒子性這個概念的邏輯順序是一樣的。我覺得我們是因為沒有直觀地看到波粒二象性的現象還有粒子性先入為主所以無法接納波粒二象性這個觀點。我們只是帶上了有色眼鏡。

波粒二象性跟粒子性的關係可以模擬相對論與牛頓力學的關係,波粒二象性是由實驗現象得到的,同時它可以解釋粒子性是巨集觀狀況下波粒二象性的表現,那麼波粒二象性就是乙個完整的框架。就像牛頓力學不過是相對論在巨集觀低速狀況下的表現。波粒二象性跟相對論是描述這個世界更本質正確的理論,我們要做的不是如何理解它,而是如何不帶偏見地接納它。

2樓:leonards

如果像聲波,水面波都有粒子性,那麼電磁波有粒子性也很正常。如果聲波,和水波沒有粒子性,那麼電磁波也不必有。粒子性只是人為引入的一種概念,用來解釋一些難以解釋的問題。

3樓:

首先,要理解波粒二象性,你需要:

a.理解粒子的行為方式。舉例:

你家裡有乙隻小狗,小狗跑來跑去,但是每乙個固定的時候只能出現在乙個位置;你去打靶子,槍法很爛,有的時候成績好,有的時候成績差,但是每發射一枚子彈,只能在落在靶子上乙個特定的位置。

b.理解波的行為方式。舉例:你喊大家去KTV:「走走走!!!」房間裡面每個人都聽到了;你划船,船盪開的漣漪擴散到湖面很大一片範圍的每乙個位置。

c.假如性質交換。如果子彈表現地像波一樣會怎麼樣呢? 你發射一枚子彈,房間裡面每個人都死了。如果聲音表現地像粒子一樣會怎麼樣呢?你喊了一句話,只有乙個人能聽到你。

理解了這三件事,你檢視一下巨集觀世界,你會發現,所有的事物,要麼體現波的性質,要麼體現粒子的性質。沒有混淆。

4樓:麥克盧漢的筆

德布羅意的物質波已經說明了實物粒子也是有波的性質的。所以不是說光既不是粒子也不是波,而是既是粒子,又是波。本來粒子跟波的兩種形態就是人類定義的。

至於微觀粒子究竟是什麼樣,誰也看不到,我們只能用檢測手段去檢測。本來就同時有兩種性質,只是用檢測粒子性的手段檢測,就表現粒子性,用檢測波動性的手段,就表現波動性。對於電子也是這樣,干涉實驗中,電子也表現出波動性。

所以或許本來物質就只有一種形態,而波動性跟粒子性就並不對立,只是用改變了觀測手段。就像乙隻白馬,用藍墨鏡去看,它就是藍的,用紅墨鏡去看,就是紅的。用人眼去看,就是白的,可人眼也只是一種觀測手段而已,也只是接受特定頻率波長的光,如果能接受紅外線,那馬不就又是一種顏色了,但馬本身並沒有變。

5樓:

在經典物理中,位置及動量構成相空間,粒子有明確的軌跡,給定初始的位置及動量軌跡也就確定了。但是,在量子力學中,由於測不准原理,位置及動量不能同時確定,因此,這種方法就不再適用。波,一般指振動的傳播,具體的有電磁波、機械波等等。

在量子力學中的波粒二象性,指的是它可以被乙個波函式完全描述,波函式具有疊加、干涉等性質,並且,具有質量、電荷、自旋等內斂屬性。

以電子為例,它有電荷、質量等作為粒子的內斂屬性,但它的運動不在有具體的軌跡,而是由波函式來描述,它在空間某個位置出現的概率由波函式決定。在電子的干涉實驗中,出現了明顯的干涉條紋,從波函式上看|y1+y2|,交叉項正好就是干涉項。

解釋的非常粗糙,輕噴。

6樓:Kevin Wayne

經典物理中,麥克斯韋把光被看成是一種電磁波,沒有任何粒子的特性;而對於實物粒子(如電子、中子、質子等),則被純粹地認為是一種粒子,用於構成更複雜的物質結構,進而構成巨集觀實體,沒有任何波的特性。

後來,人們發現黑體輻射、光電效應等,無法完全利用光的波動性加以解釋,於是物理學家開始把光看成是一些光子的集合,同時具有波動性,量子力學由此誕生。之後,那些實物粒子也被雙縫干涉實驗發現具有波動性,具有同光量子相同的性質。於是,物理學把這個光與實物的都具有普適特性稱為「波粒二象性」,光與實物由此統一起來。

下面回到題主的問題。

光的本質就是可見光頻率的光子流,在真空中以光速傳播,與其他微觀粒子一樣具有波粒二象性。從這個意義上講,光是一種概率波。當光的粒子數密度極高,且探測儀器分辨本領遠低於乙個光子的能量時,則可以看做是經典電磁波,其傳播遵循 Maxwell 方程組。

光子是一種基本粒子,是傳遞電磁相互作用的玻色子。(如圖)

發光的種類有很多。比如說:原子、分子由高能級躍遷至低能級往往會向外發射光子;熱輻射本質也是電磁輻射,一切不是絕對零度的物質都會向外熱輻射;螢火蟲通過化學反應發射光子。

根據量子場論,光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質,是與分子、原子一樣,是由更基本的結構組成的。而在經典的電動力學理論中,是沒有「光子」的概念的。

關於 Maxwell 經典電磁場理論如何與光子學說統一起來,這裡有乙個知乎問題可供參考:如何從量子光學出發,給出波動光學中經典電磁波的電、磁場分量,以及光強等概念的量子對應? - 知乎

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