波粒二象性的發(fā)展簡(jiǎn)史

2016/11/3 15:13:52

在十九世紀末，原子理論逐漸盛行，根據原子理論的看法，物質(zhì)都是由微小的粒子--原子構成。比如原本被認為是一種流體的電，由湯普森的陰極射線(xiàn)實(shí)驗證明是由被稱(chēng)為電子的粒子所組成。因此，人們認為大多數的物質(zhì)是由粒子所組成。而與此同時(shí)，波被認為是物質(zhì)的另一種存在方式。波動(dòng)理論已經(jīng)被相當深入地研究，包括干涉和衍射等現象。由于光在托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗中，以及夫瑯和費衍射中所展現的特性，明顯地說(shuō)明它是一種波動(dòng)。

不過(guò)在二十世紀來(lái)臨之時(shí)，這個(gè)觀(guān)點(diǎn)面臨了一些挑戰。1905年由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究的光電效應展示了光粒子性的一面。隨后，電子衍射被預言和證實(shí)了。這又展現了原來(lái)被認為是粒子的電子波動(dòng)性的一面。

這個(gè)波與粒子的困擾終于在二十世紀初由量子力學(xué)的建立所解決，即所謂波粒二象性。它提供了一個(gè)理論框架，使得任何物質(zhì)在一定的環(huán)境下都能夠表現出這兩種性質(zhì)。量子力學(xué)認為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個(gè)微分方程，如薛定諤方程來(lái)描述。這個(gè)方程的解即為波函數，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數具有疊加性，即，它們能夠像波一樣互相干涉和衍射。同時(shí)，波函數也被解釋為描述粒子出現在特定位置的幾率幅。這樣，粒子性和波動(dòng)性就統一在同一個(gè)解釋中。

之所以在日常生活中觀(guān)察不到物體的波動(dòng)性，是因為他們的質(zhì)量太大，導致特征波長(cháng)比可觀(guān)察的限度要小很多，因此可能發(fā)生波動(dòng)性質(zhì)的尺度在日常生活經(jīng)驗范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿(mǎn)意地解釋"自然現象"。反之，對于基本粒子來(lái)說(shuō)，它們的質(zhì)量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學(xué)所描述的，因而與我們所習慣的圖景相差甚遠。

1800年，托馬斯·楊發(fā)表了《在聲和光方面的實(shí)驗與問(wèn)題》的論文，認為光與聲都是波，光是以太介質(zhì)中傳播的縱振動(dòng)，不同顏色的光與不同頻率的聲音是相類(lèi)似的。他在分析了水波的疊加現象之后說(shuō)，在聲波疊加的情況下，可以產(chǎn)生的加強和減弱，出現復合聲調和拍頻。尤其重要的是，他提出了"干涉"的概念。

1801年，他在英國皇家學(xué)會(huì )上宣讀了關(guān)于薄膜色的論文。論文進(jìn)一步擴充和發(fā)展了惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，明確地提出了光具有頻率和波長(cháng)，完善了光波的概念。他比較圓滿(mǎn)地解釋了牛頓環(huán)的干涉現象，認為"當有不同起源的兩個(gè)振動(dòng)運動(dòng)或者完全相同，或者在方向很接近時(shí)，那么它們的共同作用等于它們每一個(gè)振動(dòng)單獨所發(fā)生的作用之和。"這在實(shí)際上已經(jīng)提出了光的相干條件及干涉原理。

這一年，他在發(fā)表于《哲學(xué)會(huì )報》上的論文中，全面地闡述了干涉原理:"同一束光的兩不同部分以不同的路徑，要么完全一樣地、要么在方向上十分接近地進(jìn)入眼睛，在光線(xiàn)的路程差是某個(gè)長(cháng)度的整數倍的地方，光就被加強，而在干涉區域中間狀態(tài)，光將最強;對于不同顏色的光束來(lái)說(shuō)，這個(gè)長(cháng)度是不同的。"

1802年，托馬斯·楊在英國皇家學(xué)會(huì )講演時(shí)，引用自己所做的雙孔(雙縫)干涉實(shí)驗。他說(shuō):"為使這兩部分
雙縫實(shí)驗
雙縫實(shí)驗光在屏幕上引起的效果疊加起來(lái)，需要使來(lái)自同一光源、經(jīng)過(guò)不同路徑的光到達同一區域，而不使其相離散，如有離散，也能根據回折、反射或折射把光從一方或從兩方重合起來(lái)，將它們的效果疊加。但是，最簡(jiǎn)單的辦法是將平行光通過(guò)兩個(gè)相距很近的針孔。針孔作為新的光源，從那里發(fā)出了球面光波，照射到屏幕上，光的暗影對稱(chēng)地向兩側散開(kāi)。然而，屏幕與小孔的距離越遠，從小孔射來(lái)的光就越按相同的角度延伸與擴張。同時(shí)，小孔間的距離越近，從它們射出的光就越按比例擴張，這兩部分光疊合后，在屏幕上正對兩小孔連線(xiàn)的中心處最明亮。兩側部分，光從兩個(gè)小孔到達各點(diǎn)有一定的路程差，若路程差是光波波長(cháng)的1倍、2倍、3倍……，路程差是光波波長(cháng)1/2，3/2，5/2倍則屏幕上的這些地方為亮區，并且相鄰的亮區間的距離相等。另一方 的地方。"這就是著(zhù)名的楊氏雙孔雙縫實(shí)驗。

托馬斯·楊用紅光照射雙孔，觀(guān)察通過(guò)雙孔后的光在屏幕上形成的光帶。他遮住一個(gè)針孔時(shí)，屏上只有一個(gè)紅的光強均勻的光點(diǎn);當兩個(gè)孔均不遮掩時(shí)，屏上兩個(gè)光點(diǎn)重合區出現了紅黑交替的光帶，紅帶相當明亮，其寬度相等，同時(shí)，各黑帶的寬度也相等，并且等于紅帶的寬度。

根據各種實(shí)驗比較，組成極端紅光的波長(cháng)，在空氣中應為l/36000英寸，極端紫光應為1/60000英寸，準確測得的可見(jiàn)光的波長(cháng)。在光學(xué)發(fā)展史中是具有劃時(shí)代意義的。

托馬斯·楊還將干涉原理應用于解釋衍射現象。1803年11月24日，他在講演中提到了光的干涉的一般法則的實(shí)驗驗證。對隨著(zhù)影子出現的有色邊緣進(jìn)行若干次實(shí)驗，便發(fā)現關(guān)于光的兩部分的一般法則，有色邊緣是根據兩部分光的干涉形成的。

第一個(gè)實(shí)驗將木板套窗打開(kāi)一個(gè)孔，在上面糊上一張厚紙，在厚紙上用針尖鉆個(gè)孔，為了觀(guān)察方便起見(jiàn)，在木板套窗外的一個(gè)適當位置放一個(gè)小鏡子，從那里反射的太陽(yáng)光按水平方向射到對面的墻壁上，并且將1/30英寸細長(cháng)紙片插入太陽(yáng)光中觀(guān)察。映在墻壁上或放在各種不同距離上的其它厚紙的影子，除了陰影的兩側邊緣之外，那一影子的自身也同樣被平行的邊緣所分割，其邊緣非常細，它的數值隨觀(guān)察影子的距離而異，影子的中心部分總是呈白色。這些邊緣是通過(guò)細紙片的每個(gè)側面的光的兩部分合成的結果，并且與其說(shuō)是折射不如說(shuō)是衍射。

第二個(gè)實(shí)驗是有直角的交接處的物體形成影子的時(shí)候，在通常的外部邊緣上，可以看到增加兩三種顏色的變化。這些，從角的平分線(xiàn)開(kāi)始向兩側排列，向著(zhù)角平分線(xiàn)以凸狀彎曲著(zhù)。并且離角平分線(xiàn)越遠越細。這些邊緣也是在物體兩側對影子方向直接彎曲的光疊加的結果。

托馬斯·楊的實(shí)驗一是細竿衍射，實(shí)驗二是角衍射。1883年當古伊與1885年維恩在光以大角度斜射時(shí)，直接觀(guān)察到了邊界波;托馬斯·楊關(guān)于衍射中邊界波的觀(guān)念得到了證實(shí)。

托馬斯·楊對光的本性又作了進(jìn)一步的爭辯，他說(shuō):"固執于牛頓的光的理論或現代光學(xué)專(zhuān)家的不太普遍的假說(shuō)的人們，最好是對任何事物都要從他的自身的原理出發(fā)，提出實(shí)驗的說(shuō)明。并且，如果他的這種努力失敗的話(huà)，他應該承認這些事實(shí)，至少應該停止目的在于反對這些事實(shí)及其所遵循的理論體系而發(fā)表的演講。"

從上述實(shí)驗或計算可以推論，平行光在傳播方向上的一定距離處，具有相反的性質(zhì)，在疊加時(shí)，互相中和或互相抵消，光也就消失了。而且，還可以推論，這些性質(zhì)對通過(guò)同一介質(zhì)的相干光來(lái)說(shuō)，在離相干光源為某距離的連續的同心面上交替變化。由測定的一致性與同類(lèi)現象的相似性，可以下結論說(shuō)，這些間隔同薄膜彩色條紋的排列形式有關(guān)系。當然，光在密的介質(zhì)中比在疏的介質(zhì)中進(jìn)行得更緩慢。而它同時(shí)也說(shuō)明，這不是折射朝向密的介質(zhì)的引力的結果。支持光的粒子說(shuō)的人們，必須判斷這一理由的關(guān)鍵，即哪一方面最弱這一點(diǎn)。但我們知道，聲音在同心的球面上擴大，樂(lè )音互相中和，根據音的不同，由在不同的某一等間隔中，相繼而起的相反性質(zhì)所形成。所以得出聲音同光的性質(zhì)之間有非常相似的結論，也是完全可以的。

托馬斯·楊還用光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)界面時(shí)，反射光產(chǎn)生半波損失的觀(guān)點(diǎn)，補充了他對薄膜的彩色條紋的解釋。

他在解釋光的偏振時(shí)，遇到了特殊的困難。這是由于馬呂斯和布儒斯特在光的偏振方面取得重大研究成果后，頑固堅持牛頓的微粒說(shuō)造成的。本來(lái)，偏振現象是橫波的特性，對偏振現象研究越深入就越有利于光的波動(dòng)理論。這時(shí)，只要將惠更斯與托馬斯·楊的"縱波"改成"橫波"，那么其它問(wèn)題就迎刃而解了。但是，馬呂斯和布儒斯特在波動(dòng)理論尚未做出這一改變之前，強烈的反對波動(dòng)理論。托馬斯·楊沒(méi)有隱匿困難，更沒(méi)有被困難所嚇倒，1811年，他在給馬呂斯的信中說(shuō):"你的實(shí)驗證明了我所采用的理論不足，但是這些實(shí)驗并沒(méi)有證明它是錯的"，六年后，他覺(jué)察到，若將聲波看成與水波類(lèi)似的橫波，那么這個(gè)困難就可以得到較好的解決。1817年1月12日，他在寫(xiě)給阿拉果的信中說(shuō):"根據這個(gè)學(xué)說(shuō)的原理，所有波都象聲波一樣是通過(guò)均勻介質(zhì)以同心球面單獨傳播，在徑向方向上只有粒子的前進(jìn)或后退運動(dòng)，以及伴隨它們的凝聚與稀疏。顯然波動(dòng)說(shuō)可以解釋橫向振動(dòng)也在徑向方向上以相等速度傳播，但粒子的運動(dòng)是在相對于徑向的某個(gè)恒定方向上，而這就是偏振。"這樣，托馬斯·楊根據波動(dòng)理論對偏振現象作了最初的解釋。其后，菲涅耳與阿拉果更充分地驗證并解釋了它。

不過(guò)在二十世紀來(lái)臨之時(shí)，這些觀(guān)點(diǎn)面臨了一些挑戰。1905年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦對于光電效應用光子的概念來(lái)解釋?zhuān)�物理學(xué)者開(kāi)始意識到光波具有波動(dòng)和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，路易·德布羅意提出"物質(zhì)波"假說(shuō)，他主張，"一切物質(zhì)"都具有波粒二象性，即具有波動(dòng)和粒子的雙重性質(zhì)。根據德布羅意假說(shuō)，電子是應該會(huì )具有干涉和衍射等波動(dòng)現象。1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末設計與完成的戴維森-革末實(shí)驗成功證實(shí)了德布羅意假說(shuō)。