光的波粒二象性的波是不是麥克斯韋描述的那種波?


不是,這裡牽涉了三個概念:

1.經典場;

2.量子場;

3.粒子的波函數。

經典場是一種描述經典相互作用的工具,根據描述相互作用的方式,大致可以分為和力成正比的力場,和勢能成正比的勢場。在經典力學裡,場與粒子是對立的,粒子激發場,場作用於粒子。

量子場是一種描述相對論運動的粒子的工具,它不單獨表示相互作用,而是它們的乘積描寫了不同粒子之間的相互作用。這是非常神奇的一件事,性質各異的,波色的、費米的不同粒子,它們的相互作用居然都可以用它們的量子場的乘積這麼簡單地表示出來!

說到量子力學和量子場論最大的區別,那麼就是量子力學可以討論單個、兩個粒子的運動,而這在場論中是做不到的,物理上是因為相對論條件下,粒子不斷產生和湮滅,數學上是因為我們無法找到一個沒有負能解的相對論量子力學方程。

粒子的波函數是粒子在某個時刻,出現在某個地點附近的概率密度的平方根,以及與我們事先選好的零相位點的相位差的複數因子的乘積:

psi(x,t)=sqrt{frac{dP}{dV}}e^{iDeltaphi}

它有歸一化的性質:

int_{R^3}{|psi(x,t)|^2dx}=1, forall tin R

這不是經典的場需要滿足的性質,也是加在相對論方程身上的枷鎖,只有突破了這個枷鎖,狄拉克方程、克萊因高登方程才有價值。

而所有量子場所對應的經典場,均表示場算符的大量統計平均,它有相位信息,但與概率密度無關,因為它一開始就不是單個粒子的波函數!

進一步,粒子才是本質的,量子場描述了粒子傳播和相互作用方式,經典場描述了粒子的大量統計平均行為。所以光子是本質,電磁場是光子的行為模式,其中量子的可以描述單個光子、少量光子,而經典的只能描述大量且分布均勻的光子,因為它丟失了信息。

因此所謂粒子性是有的,波動性不如改為隨機性和干涉性,而經典場是無法完整描述所有的隨機性的,因為它只是個統計量,它丟失了太多的信息。


謝邀,「波粒二象性」這種說法本身就是個誕生於量子力學早期的說法,我感覺這麼說不是很貼切。如果你學過量子場論的話就會知道,所謂的「粒子」並不是我們想像中的那樣,對於自由場來講,基態是真空,而粒子則是激發態;對於多個不同場的耦合場,粒子數不是好量子數,粒子數隨著時間演化是不守恆的。所以與其說粒子是波、波也是粒子,不如說一切都是場。而波粒二象性裡面的波性,跟我們想像的的波也不太一樣,波性來源於場的量子化的過程。不太嚴格來說,場的量子化實際上就是把場方程寫成多個不同模式的波的方程的疊加形式,然後每一個模式都能看成一個獨立簡諧振子,進而可以引入產生湮滅算符用來產生或者湮滅粒子。

所謂的光子,其實就是麥克斯韋場的激發態。既然是麥克斯韋場,所以如果一定要像題目中那樣問的話,應該可以說這裡面的波就是麥克斯韋描述的那種波吧。


光的本質就是可見光頻率的光子流,在真空中以光速c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一個光子的能量時,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,這裡有一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


因為光的波粒二象性,才導致存在麥克斯韋方程中表示的電磁波。

沒有光的波粒二象性的,就沒有麥克斯韋方程中表示的電磁波。

光的波粒二象性,是更深一層次的基礎,是來源。

麥克斯韋方程中表示的電磁波,屬於高一次的層次,是結果。


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