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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 功能材料 » 光学材料 » 【求助】光的波粒二象性
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夕阳西下

金虫 (著名写手)
引用回帖:
Originally posted by hxj2009 at 2009-12-17 21:16:
量子力学讲了一个实验，电子在发生衍射时，由于电子投射到照片上的几率不同，投射到照片上的电子数多少也不一样，但最终的衍射图样和光衍射一样。在这里，它用粒子性解释了电子的衍射。由于波的强度与离子的几率成 ...

电子的几率不就是波振幅模的平方吗
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21楼2009-12-19 01:50:56
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msphy

木虫 (小有名气)
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
GrasaVampiro(金币+10,VIP+0):“我们认识任何新事物的重要方法之一总是试图将新事物用我们所熟悉的概念模型来理解，从而建立起联系。”思想正确，但似乎没到最根本实质的 12-20 01:00
hxj2009(金币+1,VIP+0):非常感谢，没有更多的金币给你了，很受启发。谢谢了！ 12-20 17:55
hxj2009(金币+1,VIP+0): 12-25 17:56
个人意见：
微观粒子的基本属性就是粒子的波粒二象性。但是我们对于微观粒子的观测信息时远远不足的。能够被我们所观测到的仅仅是粒子的宏观属性。用量子力学的语言就是可测量物理量的统计平均值。

波粒二象性的提出：
历史上很早就有了光的粒子性和波动性之争。这里不重复了，相信高中物理课就曾经讲过。这里只说一下本人的理解。我们认识任何新事物的重要方法之一总是试图将新事物用我们所熟悉的概念模型来理解，从而建立起联系。举个例子，记得在哲学课上老师总是说，西方的宗教中的神，总是高鼻梁大眼睛的西方人模样，而中国文化中的对鬼神的描述也见到我们现实生活中的各个事物形象的片段。比如牛头，马面，雷公，电母的形象就是这些形象的简单拼凑。举这个例子和我们要讨论的波粒二象性有什么关系呢？我认为，微观粒子这一概念，是我们从宏观角度不曾接触的，也就是不容易理解的新事物。所以，人们试图用我们的宏观概念和模型来建立联系。于是就产生了波粒二象性这样一个“怪物”。微观粒子的波粒二象性最早是有爱因斯坦提出的。而记得见过爱因斯坦文集中有一段描述（具体记不清了）大概意思是我们用宏观的理论模型试图去理解微观，这只是一个很好的近似手段，并不一定是世界的真实。我认为，这个近似做的如此之高妙，以至于他牢牢的抓住了问题的物理本质，并在相当程度上解释和预言了物理现象。不可否认，如果某一天，某个天才发明了另外一种描述微观粒子基本属性的方法，并且能够更加完备的揭示出世界的本质，那么我们必将抛弃波粒二象性的概念。当然，这一新的理论必须与我们现在的量子力学、量子场论兼容，而不是简单的否定和抛弃。



微观粒子波动性与经典波的不同：
1）状态描述的不同：
微观粒子的状态用粒子的波函数描述。波函数往往是复数，所以没有直接与其对应的物理解释。波函数的复数平方对应于在某一时刻空间某点发现粒子的几率。
而经典波，比如机械波，的波函数则有确定的物理意义。代表某一时刻空间各点运动的状态分布。

2）动力学描述不同：
微观粒子的运动（以非相对论波动力学的角度）服从Schrodinger方程。这个方程式是一个复方程。并且，对时间分量求一阶偏导，而对空间分量求二阶偏导。（时间分量可空间分量并不是完全对称的）。而经典机械波波动方程，以绳子中波为例，对时间分量和空间分量都是取二阶偏微分。当然了，在相对论量子力学中的Klein-Gordon方程和Dirac方程，时间分量和空间分量享有了同等地位。前者均取二阶偏导，而后者均取一阶偏导。不过他们也是描述复数波函数的方程。

************************************************************
以下是新加的内容：
非常感谢GrasaVampiro版主的意见“思想正确，但似乎没到最根本实质的”，但是我想有些事情我还需要再多说几句。（较多的涉及哲学的批判，欢迎有兴趣的虫子来一起探讨!）

其一，关于微观粒子的波粒二象性是否就是微观粒子的真实存在状态？
我觉得的未必。或者肯定一点说，不是。理由见下面。

其二，关于绝对真理和相对真理的问题
我们现代科学体系，尤其是物理学体系，采用的实证主义观点。任何理论都必须有实验来验证。于是在没有被充分验证之前，确切的说任何理论都还只能被称之为“假说”。但不幸的是，很多人，错误的认为那些已经在很大程度得到验证的理论就是我们这个世界的不变的自然法则，也即绝对真理。我想说，我们这种逻辑还是不完全归纳的论证逻辑。一旦有一天，实验上发现了一个奇怪的现象，与理论解释相反的现象，用现在的理论完全无法解释，那么是否就意味着我们理论大厦的崩溃了呢？（数学中曾经出现过这样的危机，比如集合论中的罗素悖论）这是谁也无法保证的事情。我想，任何理论，定理定律都是存在适用范围的，而现代的量子力学的重大缺陷之一就是无法定量的明确给出这样一个明确的范围，即在哪些问题和体系应用量子力学的概念是有效的。而我们现在只能笼统的说，微观尺度。而量子场论（本人不十分精通，但听老师说的）不负责任的将对称性的破缺归结为虚无的真空所导致。这些都是理论的困难。所以说了这么多，物理理论不是绝对真理，而只是相对真理，从而也不可能是世界真实的全部，它们只是侧面的反映这个世界的面貌。而这其中最重要的概念“波粒二象性”当人也是我们为了更好的理解微观世界而提出的模型，自然也是相对真理了。

以下的几个问题是我曾经想过几个问题：可能会对你有所启发，没有统一答案，仁者见仁，智者见智。主要目的是想告诉大家，我们的理论完全不等于世界的全部本质。

1）假如在宇宙的某个角落（比如在暗物质中，反物质中）存在外星人，那么它们认识的世界是否就和我们的世界一样呢？他们发现的物理规律是否会与我们发现的物理规律相同呢？即使本质上相同，他们还会用“波粒二象性”这个概念来描述微观世界吗？

2）如果近代物理的发展，是由一些其他的人来做出的，那么他们的描述方式：理论和实验的描述，是否还会是和现在一样呢？我们知道相对论几乎是爱因斯坦个人的研究成果。那么，由于个体的差异，个人创造力和主观能动性的不同，是否会出先另一种情况，即由另一个人去独立的创造这样一个理论时，是否会有所不同呢？即使是物理本质相同，是否会因为某个人的发明创造（比如发明出一个更加简便的易于接受的描述方法或符号体系）而使相对论更为人们所了解呢？

我想无论你的答案是什么，在讨论“波粒二象性”时不难看出其实这是一个人们为了理解方便而创造出的一个“长着两张脸的怪物”。按这样的逻辑，我们同样可以认为，它其实是个多面怪，只不过到目前为止，我们还不曾窥探到过它的第三，第四张面孔罢了。

[ Last edited by msphy on 2009-12-21 at 08:05 ]
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Cogito, ergosum
22楼2009-12-19 10:02:48
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yzcluster

金虫 (著名写手)

小木虫扫盲人
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
GrasaVampiro(金币+20,VIP+0):一语中的 12-20 01:01
粒子性和波动性是一个事物的两个方面。其实这个东西在我国古代就有阐述，就好像是八卦中的“阴阳”。你中有我，我中有你，相生相克，相克相生。
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23楼2009-12-19 18:28:40
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impcas

金虫 (小有名气)
光的波动性和粒子性的关系即波粒二象性的关系，体现在两个公式E=hⅴ，s=h/p。光波是把光看做波时的名称，光子是把光看做粒子时的名称，它们各反应了光的波粒二象性的一面 ，很好
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24楼2009-12-19 23:18:40
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msphy

木虫 (小有名气)
yzcluster  同学的观点，还是在援引朴素唯物论的观点。
粒子的波粒二象性是“你中有我我中有你”，不假。但是未必就是“相生相克”的。它们是微观物质的“两个方面”，这也不假。但是难道微观物质仅仅有两面吗？谁也无法保证。

不过有一点是可以肯定的，那几千年前古人的认知水评是绝对不会有波粒二象性的概念的。它们的观点是还是五行八卦的朴素学说。即使有这样的朴素思想，也是从错误的根源引导而出的。所以我们现代人引用时要注意当时的时代背景，不能一味的追求结果，在历史中断章取义，生搬硬套在现代的场景下。这样对他人特别是初学者和尚没有鉴别能力的人可能会造成不良的后果。

观点只限讨论本身，就事论事，不针对个人。

[ Last edited by msphy on 2009-12-21 at 08:25 ]
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Cogito, ergosum
25楼2009-12-21 08:15:40
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forumts

木虫之王 (文坛精英)

文献杰出贡献
发挥一下，也可能过头了

|光>=a|波>+b|粒子>，究竟如何表现，取决于测量过程或考察的对象，如传播，与物质相互作用等。
可以说光或微观世界包含了丰富的内涵，而宏观观测过程只能提取很少的信息来，单看他们好像是矛盾的，实际上是不全面的。

经典的波是一种运动方式在媒质中的传播，比如声波，绳波，看台上的人浪，水波，每一小部分在规定的时间，规定的地点，按规定的方式运动一下，对它自身来说就完成了任务，完事了还呆在那里，但波却从一点传播到了另一点，从头到尾直至结束，波(r,t)是四维时空的函数，对特定时刻，将各空间点相对平衡点的位移连起来，得到一个波形；对一个固定的点，他就在那里按照规定振荡下去，如果波持续不断的话。

电磁波曾经被类比过机械波，以太好像就是这么来的，至于怎么没的，应该归功于爱因斯坦。
有一点应注意，就是电磁波在空中传播，能量，动量等物理量可以有，但是传播过后，就什么都没了，回归原样，好像粒子一样把东西都随身带走了一样

波(r,t)描述能力强，但是麻烦也大，牛顿的是二阶常微分方程，波(r,t)是偏微分方程，复杂
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26楼2009-12-21 09:52:55
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yzcluster

金虫 (著名写手)

小木虫扫盲人
引用回帖:
Originally posted by msphy at 2009-12-21 08:15:
yzcluster  同学的观点，还是在援引朴素唯物论的观点。
粒子的波粒二象性是“你中有我我中有你”，不假。但是未必就是“相生相克”的。它们是微观物质的“两个方面”，这也不假。但是难道微观物质仅仅有两面吗？ ...

呵呵，虽然朴素唯物主义东西未必都正确，但是用八卦“阴阳”的概念（这只是朴素唯物主义的一点点内容，是精华部分，而非糟粕）类比波粒二相性问题我觉得没有任何问题。所以某些虫友不要把我说的内容扩大到整个朴素唯物主义然后再说我的论点是错误的，这是偷换概念的做法。（这里只是就事论事，不针对人，呵呵）

很多实验和理论表明，粒子的波粒二相性都是客观存在的，这点毋庸置疑。在目前量子理论的基础上，只承认波粒二象性，而不是“XX三象性，XX四象性”，所以波粒二象性是微观粒子的主要特点，也是微观体系的“主要矛盾”。物理是实验的科学，目前成千上万的实验都没有提出或是观察到除了波粒二相性外的第三个方面对微观粒子有影响。所以，没有实验的支持，怀疑“微观物质是否仅仅有两面”就没有什么实际意义了，因为没有实验表明有第三个因素起作用（至于理论上意义大不大，只能说很难，因为似乎到目前为止也没有什么理论来证明可能第三方、第四方因素的存在）。总之，如果微观粒子有除了波粒二相性因素外的第三方因素的存在，你要拿出具体的例子（实验或是严格理论推导都行），而不是信口开河。
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27楼2009-12-21 10:36:50
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msphy

木虫 (小有名气)
★
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不好意思前些天有些事情没能及时回复，其他的不想多说了，只说一些比较重要的：

其一，偷换概念的人不是我，而贼喊捉贼者路人皆知。
无条件的承认阴阳八卦的学说的正确性和普遍性，并将我们讨论的粒子的波粒二象性用更加玄幻的概念来做解释，势必会引起误解和异议。承认阴阳八卦学说的正确性和普遍性只不过是某些人一厢情愿的结果。用他自己的话来说，这是需要用事实、逻辑和实验来验证的。举个例子，对于基督徒而言，很可能就不会承认这样一个观点，因为在他们开来，一切都是上帝的意志。无论是先承认阴阳八卦学说的正确性然后将波粒二象性作为这一学说的例证，还是将波粒二象性的概念用阴阳学说来做类比都是不恰当的。所以从这一点上来说，yzcluster同学的第一点驳斥理由是站不住脚的。当然他所指出的偷换还念的问题也是偏颇的。因为我自始至终都在讨论一个问题，只不过是他自己没有想明白罢了。

其二，不可否认，我自己的观点，也即，微观粒子可能存在第三、第四种基本属性，就目前为止还没有实验证据。但是我想批判的是，从逻辑上来说，目前也没有人可以否认这样的可能性。比如，不久前在实验上就发现了磁单极存在的证据（具体细节不是很了解），这一个备受争议的问题在实验出现之前也有人曾下过结论说不可能的。现代科学以实验为依据，的确有其合理性，但是这也不可避免的带来了限制。那就是只见树木不见森林。除非yzcluster同学能够像证明常微分方程解的存在唯一性定理那样，给出详细的严格的论证，证明粒子性和波动性是微观物质的仅有的两个基本属性。这也才能够对我的观点加以驳斥。

第三，还是想重申一下自己观点。量子力学还是不完备的理论。这一点是确定无疑的。因为量子力学引入了不能被证明或证伪的（尽管是基于实验的比较合理的）基本假设，根据歌德尔的不完备性定理，任何理论体系都不能在本体系内通过逻辑推理证明其基本假设的正确性。所以，我的论点是我们对微观物质的本质的认识，这其中也包括波粒二象性的认识，到目前为止还是不完备的，还是有待深入讨论和研究的。

[ Last edited by msphy on 2009-12-26 at 10:32 ]
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Cogito, ergosum
28楼2009-12-26 10:27:53
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yzcluster

金虫 (著名写手)

小木虫扫盲人
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引用回帖:
Originally posted by msphy at 2009-12-26 10:27:
不好意思前些天有些事情没能及时回复，其他的不想多说了，只说一些比较重要的：

其一，偷换概念的人不是我，而贼喊捉贼者路人皆知。
无条件的承认阴阳八卦的学说的正确性和普遍性，并将我们讨论的粒子的波粒二 ...

不好意思，我不完全同意您的观点。第一，我不知道LS所谓的“无条件的承认阴阳八卦的学说的正确性和普遍性”说的是我吗？如果是，我只能说，您的理解有误。这里我只是做了一个类比，而没有承认（更不是无条件承认）阴阳八卦学说的正确性和普遍性。您误解了我的意思。我的意思是，所谓的用阴阳的概念来“类比”（注意类比这两个字）波粒二相性，即阴阳相对于八卦、波粒二相性相对于微观粒子，都是用来突出事物的互为矛盾，但又相互统一的两个方面。而绝对不是用所谓的“玄幻的概念来做解释”。我这里不是“解释”，而只是“类比”而已。所以您说的所谓的“用更加玄幻的概念来做解释，势必会引起误解和异议”等等，不是我的本意，因此您的第一段话是站不住脚的。因为您根本就没有体会到我所说的真正含义。

第二，波粒二相性是一个客观事实。而且现在已经被承认。至于波粒二相性后面有没有更深处的理论，我可以明确的说，肯定有。按照物理学发展的观点来看，目前所有的理论，背后都有更深处的含义。这点我并没有否认。但是，对于波粒二相性而言，这个更深处的理论只会在更深层次上来解释波粒二相性的起因，因为现在的事实是波粒二相性，而不是什么“XX三相性、四相性”。正所谓一起都要从实际出发，物理也不例外。如果没有实验事实，LS虫友所谓的“微观粒子可能存在第三、第四种基本属性”的幻想（只能说是幻想，因为没有任何客观事实可以作为其基础），也只能存在于您的脑海中，而没有任何实际意义。

PS 如果您觉得您所谓的微观粒子有“第三、第四种基本属性”的说法有实际意义，请给出具体依据，例如参考文献或是相关资料。而不是信口开河。谢谢。当然如果你承认所谓的“第三、第四种基本属性”只是一种天马行空的想法，那就无所谓了。您怎么说是您的自由。如果这样的话，不仅有“第三、第四种基本属性”，可能还有第100000种基本属性。但是我仍然要问一句，它们在哪呢？

[ Last edited by yzcluster on 2009-12-26 at 11:13 ]
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29楼2009-12-26 10:57:28
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e102840

木虫 (著名写手)

A Hiker
★
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Originally posted by southrain703 at 2009-12-18 17:05:
微观粒子的波粒二象性只是一个建立在经典基础上的易于理解的名词，便于初学者学习。但微观粒子这两方面属性及其相关的物理图像是不能机械地靠波动性+粒子性来理解的。可以看一下张永德老师的讲义。
还有一个不错 ...

这个动画做的不错
但是还是不够准确
比较准确的可以参见feynman的物理学讲义
根据他的理解
用子弹同样也会有干涉条纹出来
只不过因为子弹质量很大
德布罗意波长很小
观察不到而已
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还未年轻，就已老去……
30楼2009-12-26 11:04:29
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