【《波粒二象性的發(fā)展探究7300字（論文）》】

I波粒二象性的發(fā)展研究目錄 12.波粒二象性 12.2發(fā)展史 22.3理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 52.3.117世紀(jì)：惠更斯、牛頓 52.3.219世紀(jì)：楊、費(fèi)涅爾、麥克斯韋、赫茲 62.3.3普朗克黑體輻射定律 62.3.4愛因斯坦與光子 62.3.5德布羅意與物質(zhì)波 72.3.6海森堡不確定性原理 72.3.7大尺寸物體的波動(dòng)性 72.4波粒二象性存在問題 72.4.1概率波 82.4.2薛定諤的貓 93波粒二象性應(yīng)用 94.總結(jié) 參考文獻(xiàn) 1在物理學(xué)界則有一個(gè)名言：上帝說要有光，于是就有人們對光的本質(zhì)和產(chǎn)生進(jìn)行了無數(shù)的猜想，從神之化身到物理定義。光的探索光到底是什么東西，是波還是粒子呢?在這無休止的爭論中，物理學(xué)爆發(fā)波粒二象性是一個(gè)大膽而有趣的理論。隨著人們對逐漸成為了量子力學(xué)的主導(dǎo)概念，對量子力學(xué)的研究與發(fā)展有著重大的影研究探討波粒二象性，對我們重新認(rèn)識物質(zhì)世界，推動(dòng)量子要意義。2.1.定義性較不顯著顯示出粒子性。微粒在不同情況下表現(xiàn)出哥本哈根詮釋來解釋?；パa(bǔ)原理闡明，量子現(xiàn)象可以用不同種共軛方法來觀察，波粒二象性是一個(gè)理論框架，為的是解決了經(jīng)典力是“純”波動(dòng)(光波)還是“純”粒子(物資)的問題。該理論提出任何物質(zhì)有時(shí)能夠表現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)或粒子性質(zhì)。量子力學(xué)(薛定諤方程)來描述自然界所有的粒子(如光子、電子或是原子)。這個(gè)方程的解描述了粒子的狀態(tài)，叫做為波函數(shù)。它們能具有但這不意味著現(xiàn)實(shí)生活中可以觀測到物體的波動(dòng)性。2在現(xiàn)實(shí)生活常識認(rèn)知范圍之外。物體質(zhì)量太大反而德布羅意波長可觀察的極限尺寸小。反之，對于基本粒子來說，它們的質(zhì)量和尺寸局限于量子力學(xué)所描述的范圍之內(nèi)，因而與我們所習(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。[2]2.2發(fā)展史1637年，笛卡爾在《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中提出了兩個(gè)假說：一、光是類似于微粒的一種物質(zhì)；二、光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力。這是最早關(guān)于波動(dòng)說和粒子說的假說。笛卡爾是光的波粒二象性理論的鼻祖。1655年，光的衍射現(xiàn)象被意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里馬第首先發(fā)現(xiàn)。格里馬第最早的倡導(dǎo)者光的波動(dòng)學(xué)說，認(rèn)為光可能是一種與水波類似的流體。他的理論被英國物理學(xué)家胡克、英國科學(xué)家波義耳積極響應(yīng)。1660年，法國數(shù)學(xué)家皮埃爾●伽森荻認(rèn)為光由大量堅(jiān)硬粒子組成并出版專1666年，荷蘭天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家惠更斯提出光是一種靠物質(zhì)載體(“以太”)來傳播的縱向機(jī)械波，引起媒質(zhì)振動(dòng)的波源是波面上的各點(diǎn)本身?；莞沟牟▌?dòng)學(xué)說是比較完整的理論，他解釋了雙折射現(xiàn)象和光的衍射，進(jìn)行了著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)，證明了光的反射和折射定律。1672年，英國物理學(xué)家牛頓在論文《關(guān)于光和色的新理論》中，以微粒說的觀點(diǎn)，對光的顏色理論進(jìn)行了闡述。牛頓的粒子說與胡克之間的波動(dòng)說之間的激烈爭論由此展開。1675年，牛頓提出光是從光源發(fā)并在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播出的一種物質(zhì)微粒。1704年，牛頓在他出版的《光學(xué)》中推廣微粒說，并對波動(dòng)說提出質(zhì)疑。1882年，德國物理學(xué)家施維爾德用光波學(xué)說成功的解釋了光通過光柵后的1887年，英國物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷進(jìn)行了“以太漂流”實(shí)驗(yàn)。他們否定了以太的存在。波動(dòng)說由優(yōu)勢變?yōu)榱觿荩瑐涫苜|(zhì)疑。1801年，英國物理學(xué)家托馬斯●楊通過著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波。楊氏《哲學(xué)會(huì)刊》論文中提出光的干涉定律光的和干涉的概念，并詳細(xì)介紹了“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。31809年，馬呂斯提出光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律通過光的偏振現(xiàn)象否定了惠更斯光是一種縱波的理論。波動(dòng)說再次面臨挑戰(zhàn)。1817年，托馬斯●楊通過光是一種橫波的假說比較成功的對光的偏振現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。1819年，菲涅耳進(jìn)行“兩個(gè)平面鏡所產(chǎn)生相干光源干涉”實(shí)驗(yàn)并與阿拉戈共同創(chuàng)立光波橫向傳播理論。光的波動(dòng)說再次獲得有力證明。1873年，麥克斯韋成功推導(dǎo)出麥克斯韋方程組，提出光電磁理論。同時(shí)他創(chuàng)立電磁波的傳輸模型，在《電磁學(xué)通論》中預(yù)言了電磁波的存在并闡明了它1888年，海因里希●赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)麥克斯韋的猜測從這時(shí)。光波動(dòng)說1901年，馬克斯●普朗克發(fā)表了的關(guān)于黑體在平衡狀況的發(fā)射光波頻譜的預(yù)測的研究報(bào)告。他提出著名的普朗克關(guān)系式E=hv(v是頻率，h是普朗克常數(shù)(6.626x10-34Js),E是能量)。普朗克還推導(dǎo)出黑體能量分布定律，稱為普朗克黑體輻射定律。[3]1905年3月，阿爾伯特●愛因斯坦《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測性觀點(diǎn)》論文在德國《物理年報(bào)》上發(fā)表。他提出光子假設(shè)，首次揭示微觀客體粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一(波粒二象性)。論述了光表現(xiàn)為波動(dòng)是對于時(shí)間的平均值；表現(xiàn)為粒子性是對于時(shí)間的瞬間值。1916年，愛因斯坦光電效應(yīng)的理論被美國物理學(xué)者羅伯特●密立根證實(shí)。物理界迫承認(rèn)光具有粒子性質(zhì)和波動(dòng)性質(zhì)。3]1919年，利用日食時(shí)機(jī)，英國科學(xué)家愛丁頓的兩支考察隊(duì)觀測到太陽附近的光的偏折角約為1.7秒。再次證明了光的粒子說。1921年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予愛因斯坦。表彰其在“光的波粒二象性”這一方面獲得的成就。1921年，X射線的粒子性被康普頓試驗(yàn)證明。1924年，路易●德布羅意稱類波動(dòng)屬性是所有物質(zhì)都擁的，提出德布羅意假說。他提λ=h/p(λ為波長和p為動(dòng)量)。41927年，氦和氫原子、氫分子射線被證明了具有波的性質(zhì)?！肮饩哂胁６笮浴北徽J(rèn)可。光的波動(dòng)說與微粒說之爭姆孫用電子束照射穿過薄金屬片觀察到干涉樣式。雷斯特維森在貝爾實(shí)驗(yàn)室通過用低速電子入射于鎳晶體取得電子1961年，蒂賓根大學(xué)的克勞斯●約恩松通過電子來進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明1969年，運(yùn)用在原子內(nèi)部束縛電子的能級躍遷機(jī)制，威利斯●蘭姆與馬蘭●斯考立(MarlanScully)證明了分析光電效應(yīng)完全不需用光子的概念而需要波動(dòng)1974年，米蘭大學(xué)的梅里教授在雙縫入口安裝高精度的監(jiān)視器，通過電子1999年，維也納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)計(jì)錄到C60富勒烯(相對原子質(zhì)量為720u,德布羅意波長為2.5pm,分子的直徑為1nm,約400倍大)的衍射。2003年，四苯基卟啉(tetraphenylporphyrin)的波動(dòng)性被維也納研究團(tuán)隊(duì)2009年，伊夫●庫德(YvesCouder)表示波粒二象性可以通過宏觀油滴彈跳于振動(dòng)表面進(jìn)行模擬。周期性波動(dòng)會(huì)在毫米尺寸的油滴會(huì)引起類量子現(xiàn)象(如雙縫干涉、不可預(yù)料的隧穿、軌道量子化、塞曼效應(yīng)等等)。3]2010年，亞諾斯●伯古(JánosBergou)和物理學(xué)家馬提亞斯●雅各布2011年，質(zhì)量為6910u的分子干涉現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行。2012年，維也納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)計(jì)錄到酞菁分子(58個(gè)原子組成)和比它更重的衍生物(114個(gè)原子組成)干涉圖樣。2013年，維也納大學(xué)的物理學(xué)家們完成了迄今5由大約5000個(gè)質(zhì)子、5000個(gè)中子和5000個(gè)電子構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，干涉現(xiàn)象也可2015年，光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片被瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家成功拍攝出。他們通過射入奈米線，用光脈沖的兩個(gè)反向分量形成駐波，然后將一束電子注入附近，遭遇光駐波的電子束被減速或加速。[516對這些速度改變區(qū)域的記錄，為研究者將駐波的外觀顯現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出駐波體光的波動(dòng)性。[516實(shí)驗(yàn)同時(shí)顯現(xiàn)光的粒子性和波動(dòng)性的。當(dāng)電子進(jìn)入駐波，它們撞擊光子并改變了速度。[5][6速度上的變化表明光子和電子之間能量包(量子)的交換。[5][61這種速度上的變化以及它所暗示的能量交換表明駐波中存在的粒子行為。[5I[6]2021年2月9日瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院使用IBMQ量子計(jì)算機(jī)首次驗(yàn)證了量子糾纏和波粒二象性之間的緊密關(guān)系，表明前者在量子系統(tǒng)中控制后者。[7該研究成果于期刊《物理評論A》(PhysicalReviewsA)發(fā)表。研究人員稱表示"可以間接證實(shí)通過控制這對量子比特的糾纏度，每個(gè)量子比特的對偶可以完全較為完全的最早發(fā)展成型的光理論克里斯蒂安●惠更斯出的一種光波動(dòng)說。通過這理論，解釋了波前如何因光波相互干涉而形成，認(rèn)為產(chǎn)生球面次波的點(diǎn)波源是在波前的每一點(diǎn)，這些次波的包絡(luò)被看作而以后任何時(shí)刻的波前。這個(gè)原理，推導(dǎo)出折射定律與反射定律，并定性解釋了波的球面?zhèn)鞑ヅc直線傳播。但是并不能解釋衍射效應(yīng)，即光波遇到狹縫、孔徑或邊緣時(shí)，會(huì)偏離直線傳播。提出次波不會(huì)朝后只會(huì)向前傳播的假定。沒有解釋這種物理行為為什么會(huì)發(fā)生。隨后，牛頓合理解釋光的反射性質(zhì)和直線移動(dòng)。他認(rèn)為非常奧妙的微粒組成光，遵守運(yùn)動(dòng)定律，提出了光微粒說。但是，牛頓并不能讓人滿意的解釋光的衍射與折射性質(zhì)。光的波粒性之爭從未間斷。[3但由于牛頓影響力較大，惠更斯的理論逐漸被人們忽略。光的波動(dòng)理論直到衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)才重新得到承認(rèn)。[3]6動(dòng)性質(zhì)。奧古斯丁●菲涅耳在惠更斯原理的基礎(chǔ)上假定次波的波幅與方向有關(guān)，光學(xué)和電磁學(xué)聯(lián)結(jié)成統(tǒng)一理論。1888年，海因里希●赫茲證實(shí)麥克斯韋的猜測。1901年，馬克斯●普朗克發(fā)表了的關(guān)于黑體在平衡狀況的發(fā)射光波頻譜的預(yù)測的研究報(bào)告。他提出著名的普朗克關(guān)系式E=hv(v是頻率，h是普朗克常數(shù)(6.626×10-34Js),E是能量)。31普朗克還推導(dǎo)出黑體能量分布定律，照射于金屬表面的光束會(huì)使其發(fā)射出電子(光電子)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng) 光子。產(chǎn)生光電效應(yīng)需要光頻率超過某特定頻率(底限頻率)。光電子的能量與輻照度無關(guān)而只與頻率有關(guān)。而他提出了“hv=Kmax+W(W是逸出功，Kmax是電子的最大逃逸動(dòng)能)。1916年，愛因斯坦光電效應(yīng)的理論被美國物理學(xué)者羅伯特●密立根通過實(shí)1969年，運(yùn)用在原子內(nèi)部束縛電子的能級躍遷機(jī)制，威利斯●蘭姆與馬蘭●斯考立(MarlanScully)證明了分析光電效應(yīng)完全不71924年，路易●德布羅意稱類波動(dòng)屬性是所有物質(zhì)都擁的，提出德布羅意假說。他提λ=h/p(λ為波長和p為動(dòng)量)。3]1927年，阿伯丁大學(xué)喬治●湯姆孫用電子束照射穿過薄金屬片觀察到干涉樣式。雷斯特●革末和克林頓●戴維森在貝爾實(shí)驗(yàn)室通過用低速電子入射于鎳晶體取得電子的衍射圖樣。證實(shí)電子的量子行為可以用德布羅意的方程來1927年，維爾納●海森堡利用德布羅意假說為其論述，進(jìn)行著名的海森堡(△為標(biāo)準(zhǔn)差，粒子的位置為x、動(dòng)量為p)。13但是實(shí)驗(yàn)測量造成的攪擾不確定是在測量動(dòng)作之前就已存在，粒子內(nèi)秉的性質(zhì)，存在于粒子本身，只能解釋提出的哥本哈根詮釋倚賴。3]物理學(xué)者界確立光子與電子具有波動(dòng)性質(zhì)之后，中子、質(zhì)子也通過實(shí)驗(yàn)得到相似的結(jié)論。隨著研究進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，原子、分子甚至更大尺寸、更復(fù)質(zhì)量與長度之間在物理學(xué)里存在有兩種基本當(dāng)粒子的史瓦西半徑大約與康普頓波長相等時(shí)，粒子的質(zhì)量大相等。量子引力強(qiáng)烈地影響粒子的運(yùn)動(dòng)行為。所有已知基本粒子的質(zhì)量楚我們不很清楚普朗克質(zhì)量小于質(zhì)量的物體是否波粒二象性指出是所有的粒子即有波的特性還有獨(dú)屬8觀事兩者都必須運(yùn)用，只是運(yùn)用波或者粒子都是不完全得。人類認(rèn)識史上最令人困惑的問題之一就是微觀粒子和光的波粒二象性統(tǒng)一的問題，至今不能說已經(jīng)完全解決。在實(shí)驗(yàn)中我們觀測波粒二象性，發(fā)現(xiàn)粒子并不是按照確定軌跡運(yùn)行的，對于這種不知道什么時(shí)候往哪里走的情況，科學(xué)家并不能精準(zhǔn)的研究和預(yù)測，只能大致的測量方向得出一個(gè)概率。這個(gè)違背了傳統(tǒng)物理學(xué)的因果律(物質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律，可以通過掌握這些規(guī)律掌握最終結(jié)果)。在研究光的波粒二象性中，我們會(huì)遇到讓人匪夷所思的現(xiàn)象。單個(gè)光子同樣發(fā)生了干涉。現(xiàn)實(shí)理論中我們理解，兩個(gè)狹縫不可能同時(shí)被一個(gè)光子通過。比較著名的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、量子擦除試驗(yàn)、雙縫干涉3D版、延時(shí)量子擦除試驗(yàn)，它都讓我們對物理“因果律”產(chǎn)生了懷疑。科學(xué)家為了了解這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。用高敏的攝像機(jī)拍攝到光子在運(yùn)動(dòng)中的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)我們拍攝時(shí)兩條平行線出現(xiàn)在背景墻上，而移除攝像機(jī)后條紋重新出現(xiàn)。結(jié)果說明，粒子在我們試圖去觀察基本粒子的時(shí)候，我們所能理解的形態(tài)恢復(fù)了。而我們不去觀察它的時(shí)候，兩條狹縫同時(shí)通過了單個(gè)光子。我們不去觀察它的時(shí)候，單個(gè)基本粒子存在與不存在兩種狀態(tài)同時(shí)1926年M.玻恩為了較好地解決這個(gè)問題，提出了出概率波解釋。概率波解釋，描述粒子波動(dòng)性所用的波函數(shù)中(x、y、z、t)不是什么具體的物質(zhì)波而是概率波；t時(shí)刻在x、y、z處出現(xiàn)的粒子的概率密度用波函數(shù)的絕對值的平方(Iψ|2=ψ*ψ,ψ*表示ψ的共軛波函數(shù))表示。在電子雙孔干涉實(shí)驗(yàn)中有|ψ|2=ψ1+ψ2|2=|ψ1|2+1ψ2|2+ψ1*ψ2+ψ1ψ2*(ψ1*ψ2+ψ1ψ2*項(xiàng)體現(xiàn)的是干涉效應(yīng))。粒子在強(qiáng)度|ψ12大的地方，出現(xiàn)的概率大粒子數(shù)多。粒子在強(qiáng)度|ψ12小的地方，出現(xiàn)的概率小粒子數(shù)少。在多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中，不管過程中粒子流強(qiáng)度如何，都得到相同的的干涉條紋結(jié)果。多次重復(fù)粒子流很弱實(shí)驗(yàn)的干涉效應(yīng)說明，波動(dòng)性是單個(gè)微觀粒子所具有的，而不是多數(shù)粒子聚集的性質(zhì)。他們的不可分割性與同時(shí)起作用性，使得談?wù)撐⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)軌道變得沒有意義。9這使人產(chǎn)生它明白我們在觀測察它的感覺。這個(gè)現(xiàn)象原理至今無法解釋。但現(xiàn)實(shí)中，現(xiàn)代科技證實(shí)并有了實(shí)際應(yīng)用(如量子計(jì)算機(jī))。很多科學(xué)家提出了假設(shè)，也有許多人在這個(gè)現(xiàn)象面前產(chǎn)生絕望，甚至此自殺。我們的整個(gè)世界觀都被它顛覆了，薛定諤的貓就此誕生了。薛定諤的貓(英文名稱：Schr?dinger'sCat)是奧地利著名物理學(xué)家薛定諤(ErwinSchr?dinger,1887年8月12日1961年1月4日)提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。在密閉容器里裝入有少量氰化物和鐳，將一只貓關(guān)進(jìn)去。鐳存在一定幾率衰變。當(dāng)鐳發(fā)生衰變，機(jī)關(guān)被觸發(fā)，裝有氰化物的瓶子被打碎，貓會(huì)死去；如果未發(fā)生衰變，貓則繼續(xù)存活。理論上，放射性的鐳沒有衰變和衰變隨機(jī)兩種狀態(tài)，“薛定諤貓”指的就是這只即死又活的貓。但是，不可能存在既死又活的貓，薛定諤不喜歡波的統(tǒng)計(jì)解釋和波粒二象性的二元解釋。20世紀(jì)20年代中期埃爾溫●薛定諤創(chuàng)立了薛定諤現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)方程：薛定諤想通過提出“薛定諤的貓”這個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，把微觀的量子行為(波粒二象性疊加)映射拓展到宏觀。量子力學(xué)的波粒二象性認(rèn)為，在宏觀中除了一些比較固定的事情外，很多事物(比如暗物質(zhì))很大可能都是隨機(jī)偶然而都是沒有規(guī)律的。薛定諤的貓的真諦一—波粒二象性的疊加還是表象與本相的不同。3波粒二象性應(yīng)用盡管波粒二象性的理論研究仍在不斷發(fā)展，但現(xiàn)實(shí)生活中，已經(jīng)出現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用波粒二象性一些的科技：電子顯微鏡利用波粒二象性來顯示樣品的結(jié)構(gòu)。電子的波長很短，比可見光的波長還短100000倍，可以用來觀察更小的樣品。電子顯微鏡的分辨率(約0.05奈米)遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)顯微鏡的分辨率(約200奈米)。中子與其他微觀粒子一樣，具有波粒二象性。[11中子衍射技術(shù)是研究晶體學(xué)的方法，用來確定某個(gè)材料的原子結(jié)構(gòu)或磁性結(jié)構(gòu)。[12]科學(xué)的探索和研究是永無止境的，波粒二象性帶來了量子力學(xué)的革新，是物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。這一項(xiàng)理論的提出具體深刻的發(fā)展意義。雖然該理論還存在著許多問題，不夠完善。但是任何物理學(xué)理論都是在不斷假設(shè)、嘗試與驗(yàn)證中發(fā)展起來的。隨著新研究