如何理解微觀粒子的波粒二象性?

我們都知道微觀粒子具有波動性和粒子性,那麼給怎麼理解它?


不需要去理解,就像超過四維的多維時空一樣,只具有數學意義。或者說人類只具有的視覺、觸覺、聽覺+其它幾種感知能力,並由於生活空間造成的局限性,遠非可以理解萬事萬物。

我們生活的尺度是建立在宏觀物體之上的,但比如電子這種東西,連一個光子都可以「撞」得它意亂神迷,反射到人眼中的光子怎麼可能得到正確信息,更別提它的具體形狀了。

從1900年量子論開始發展,到現在一百多年了,雙縫干涉仍得不到大家都認可的解釋。薛定諤貓理論、平行宇宙、時間退相干等等讓人越聽越玄乎,都是可能的假設罷了。物理工作者可以運用量子力學的公式得到結果並在實際中運用,也只知其然不知其所以然。

我們想要理解微觀粒子,無非就是想在我們能看到摸到的某個東西中,找到:「啊!原來就是像XX一樣的東西呀!這樣我就明白了。」 但我們能接觸到的東西中根本就沒有像XX這樣的東西,不必費力費心了。

太多的事例說明,這個世界不是我們看到的這樣,習以為常就好了。

我們能做的就是靜等弦理論或是其它什麼理論來打通量子論和廣相的通路,1999年霍老爺子躺輪椅上「講話」:我敢打賭20年後可以得到統一的理論解釋。

不過他老人家打賭輸的多了去了,汗……


不需要理解。也不要對哥本哈根詮釋太執著。物質波就是波。

舉個例子吧, 題主可能知道薛定諤方程

[
hat{E} psi = frac{hat{p} ^{2}}{2m}psi
]

這是針對非相對論粒子的。

那麼你知道光子的薛定諤方程是什麼嗎,不要驚訝,就是經典的麥克斯韋方程。實際上我們可以將其寫為

[
hat{E} psi =hat{ mathbf{S}}cdot hat{mathbf{p}}psi
]

其中( hat{ mathbf{S}} )是自旋1算符 同時也是SO(3)群的3個生成元。

[ 
psi =mathbf{E}+icmathbf {B}
]

是個矢量波函數。

你會發現這構成了麥克斯韋方程組中的兩個。另外兩個麥克斯韋方程 可以寫成

[
hat{mathbf{p}} cdot psi =0
]

作為附加的橫波約束。

這也是為什麼電磁場的量子化那麼困難的原因,它是有約束的。

我們從沒有認為經典電磁場是光子的幾率波。 我們向來都是認為它是在全空間彌散的。所以哥本哈根詮釋也就那麼回事。

粒子性是怎麼回事呢。 主要是粒子這一概念深入人心。人們無法接受粒子在全空間彌散這一概念,所以提出了幾率波的解釋。我們認為電子是粒子,而光是波 ,二者是不能相撞的, 但是如果把波的特性 例如波長 轉化為粒子的特性 例如動量,我們就能把電磁波解釋稱光子,這樣就能解釋康普頓散射。也同樣能把電子轉化成波,這樣就能解釋電子衍射。

到量子場論這一切都不是問題。它們都是場。沒有粒子與波的區分。

至於弦就比較古怪了。你可以為他是粒子 (從宏觀上看),也可以認為他是波(從微觀上看)。

不過就像我說的這些都不重要。不要被所謂的解釋與理解所迷惑。

一個物理理論一般只需要兩點

一是 自洽且完善的數學理論,也就是方程

二是 可以被實驗證實的預測。

有時第一點甚至是不必要。至於理解,從來都不是必要的。


這貨不是基於實驗的出來的結論嘛。。。

光的偏振以及光電效應。。。

現象就是如此了,你硬要去理解,是想理解什麼東西呢


對於微觀世界,我們太大了,大到了只是遠遠的觀察它們就會影響到它們的地步,我們能感受到的最小變化來源於量子級的光子,而如果找不到能令人類感受到比量子級還小的單位,那麼我們就不能獲得量子的全部信息,就好像有一個一米長的木棍,而我們有一個對角長是一米的方門,有時我們會觀察到木棍快速通過了方門,而有的時候卻看到了木棍卡在了門邊,當我們不能探知木棍更具體的信息時,我們對觀察到的現象給了它二像性的概念,我想這大概就是原因吧


對於宏觀上某一物體,只要知道了它的運動速度,質量和所受合力,等信息,我們就能絕對的預測它的未來運動形式,百分之一百的預言未來,不可能有錯。

然後人類參照這一絕對定律也想預測微觀粒子,但是我們測量它的波長和頻率時必須發射射線來使它產生回應,但是我們在測量過程中發現只要干擾到微觀粒子的波的性質它的粒子性質就會在測量過程中有所改變,相反測量它粒子性質時它的波的性質也會改變,這讓我們很頭疼。

1927年,維爾納·海森堡提出海森堡不確定性原理

海森堡原本解釋他的不確定性原理為測量動作的後果:準確地測量粒子的位置會攪擾其動量,反之亦然。他並且給出一個思想實驗為範例,即著名的海森堡顯微鏡實驗,來說明電子位置和動量的不確定性。

這樣,我們就把微觀下波的性質和粒子性質合在一起看作一個運動狀態來進行測量,然而仍然具有不確定性。

也許在未來某個聰明人可以推翻這個結論而直接對微觀粒子進行觀察。


有人摸到了象鼻子,有人摸到了象耳朵。


事實上微觀世界和我們正常的理解有所區別,區別在於我們量子化的能量。(咦?我為什麼要說這個?)

任何物體都具有粒子性和波動性,動量大的波動性強粒子性小,動量小的波動性小粒子性強。也就是說,粒子性和波動性其實在微觀層面有更高級別的統一,粒子與波動不過是人類為了了解並理解世界本質而提出的概念,也許在未來的某一天,粒子和波動的說法會被一個全新的概念代替,就如同能量子的概念對物理學界的顛覆一樣,大多數人想不到,知道的也拒絕接受。

當然現在只能這麼說:

光在瞬時狀態下表現粒子性,在平均時間下表現波動性。


這是我們通過實驗、事實發現的微觀粒子所具有的性質,既有我們宏觀世界裡觀察到的粒子的性質,又有波的性質。我們不能老是以能找到,在我們能感覺到的世界裡有相似的例子,來作為「理解」科學的方法,這是感性而狹隘的。

我們應該接受它,實驗證實了它們具有這樣的性質。我們需要理解的是,為什麼現實生活中觀察不到波粒二象性。


波是指粒子的運動概率軌跡。

月亮也具有波粒二象性,地球也是。都是在做螺旋運動。

光子的波粒二象性


微觀粒子的波粒二象性根源是物理學未能清楚地解釋造成的,比如:電子的衍射,不是電子的波動性,而是膨脹力駐波將電子分開傳播,有電子到達的地方和無法到達的地方,也就是量子化分布的條紋。

條紋看起來象水波,用水波的衍射計算也對到了位置,就有了波動性的思維見解。冰凍幾百年,解凍多少年?這種思維方式是必然要經歷的,即使其他星球更高級的人類也會經歷這樣的物理學史!

所以物理學需要革命,一些理念也需要革命,在電子的結構和電磁波結構未清楚之前,其它一切的一切都是徒勞!!!


有無之間的轉換


你看一朵花,它可以是紅色的,同時它也可以有8片葉子。大概類似這樣的吧。物質可以是波,同時它也可以有粒子性。我是這樣理解的。


一個人的兩種特徵~


或許可以用一個大致接近的例子來幫助理解:

假設,有一個運動中的宏觀物體,你可以根據時間速度位置中的任何兩項來算出第三項。這是經典物理。但如果運動中的是微觀物體,比如光子,我們就無法根據時間速度位置中的任何兩項來算出第三項,這是因為光子具有波動性。根據時間速度我們只能算出光子的大概位置,並給出一個概率值。這就是測不準原理的通俗解釋,而測不準與波粒二相可以說是等價詞。


推薦閱讀:

為什麼有很多人會認為量子理論基礎還很不完善?
本科畢業前就在國際知名期刊發文章(基礎科學)會對申請PhD有什麼特別大的幫助?
眼鏡片表面鍍膜是什麼物質?用洗潔精清洗眼鏡片會損傷鏡片膜嗎?
雙縫干涉觀測?

TAG:科技 | 物理學 | 量子物理 | 物理科普 |