主页 > 案例大全 > 论文方法介绍-二象性的历史渊源及应用

论文方法介绍-二象性的历史渊源及应用

2021-04-17 12:38:44

  波粒二象性时量子力学的一条基本原理,在近代物理学发展的整个过程中一直作为坚实的科研基石而存在。本文从波粒二象性的发展历史出发,阐述不同时代科学家对其探索的曲折过程。通过对在历史探索过程中出现的实质性验证实验的研究,加深对波粒二象性的认识,进一步展望其应用与发展。

  二、二象性理论的历史渊源及发展

  ㈠光的二象性

  1、早期光学基础

  1604年之后,开普勒着手研究了光的直射、反射现象。1620年,斯涅尔研究并分析了这些光学现象进而发现了两条定律:反射定律和折射定律。笛卡尔在开普勒潜心研究的影响下,通过理论计算和实验探究光的本质、反射及折射率,并阐述了关于光的本性的概念。在他的著作《方法论》中,笛卡儿对于光本性问题的猜想成为了微粒说和波动说的雏形,更创造出了一场跨世纪的伟大争论。

  2、波动说与微粒说之争

  ⑴波动说与微粒说的起源

  1655年,意大利学者格里马第的的研究在他去世后被发表,首次提出关于衍射的概念。1663年,英国科学家波义耳认为世间万物之所以色彩缤纷是由于它们受到光线照射,并非自身特性。胡克多次进行格里马第的影子照射实验,他认为微粒论无法解释这些实验现象。

  1660,年法国数学家皮埃尔认为所有物体包括光都是由粒子构成的。1672年,牛顿对光的一系列问题展开研究并进行了光的色散实验。他由“颜色是物质具有的特性”猜想具有颜色的光也是由不同颜色的微粒混合而成的实体物质。牛顿对光是微小粒子流的猜想成功解释了当时光所能表现出的三种传播现象。尽管有些现象当时还无法解释,但牛顿当之无愧成为微粒说的领导者。

  1672年,牛顿和胡克为各自支持的不同观点展开了激烈争论,拉开了波粒之战的大幕。

  ⑵波动说的崛起——惠更斯

  胡克认为光以波的形式在名为以太的介质中传播,传播速率随介质密度的增大而减小。1666年,在胡克思想的影响下,荷兰物理学家惠更斯的观点更倾向于光波理论。1689年,在与牛顿就光的本性问题进行深入交流后,二人产生了强烈分歧。惠更斯对牛顿与格里马第的光学试验进行探究后发现如果光是一种微粒,那么许多现象将无法说明得到解释,因此,他认为波动学说才是光本性的正确解释。他认为光是一种由于物体振动而产生的借助名为“以太”的介质进行传播的纵向机械波,并提出波面上的每一点都是能引起下一次振动的次波源也就是著名的惠更斯原理,轻易解释了微粒说无法解释的难题。1678年,惠更斯提出了光是一种波动的猜想并发表了演讲,以“光束碰撞不影响传播路径”的现象,吹响了反驳牛顿及其微粒说的号角。

  ⑶独裁者——牛顿及其微粒说

  而在波动学说逐渐成长的同时,微粒说也在逐渐完善并发展。1704年,牛顿在《光学》中阐述了自己的观点,还列举出了对惠更斯猜想的有力质疑。牛顿认为:第一,惠更斯的理论无法给予光线直射这一既定事实合理的说明;第二,惠更斯的理论无法解释光在偏振中出现的结果;第三,以太的存在与既定现实相矛盾。牛顿在1687年出版的物理学著作《自然哲学的数学原理》中有关于自然现象中的各种运动与力之间作用的伟大见解更是让人们对机械运动的传统思想根深蒂固,于是微粒说得到了大众的认可。

  在机械论统治阴影下的17-18世纪,尽管惠更斯原理让波动学说得以崭露头角,但在几近成年的微粒说面前,它仍如一个嗷嗷待哺的婴儿。微粒说仍存在着局限性的一面,但1704年惠更斯与胡克都已经去世,波动学说的支持者无法回答牛顿提出的质疑。随着牛顿在物理学界影响力的不断扩大,微粒说压倒波动说并长期高居上风。

  ⑷权威的挑战者——托马斯·杨

  整个十八世纪,尽管有像瑞士数学家欧拉和美国物理学家富兰克林这样的人坚持着波动学说,但也仅仅只有一些理论上的思考。面对牛顿这位巨人肩上的伟大物理学家,人们崇尚他的理论,对他的实验不断重复,科学的自由思想被已有的旧观念牢牢束缚,无人敢于挑战微粒说的地位。

  直到十八世纪末,波动学说才迎来了转机。一位名叫托马斯·杨的英国物理学家对微粒说提出质疑并在1801年进行了足以载入物理学史的双缝干涉实验。托马斯·杨将他的实验成果发表在《哲学会刊》上,提出干涉理论,并借此成功地解释了牛顿环现象及当年惠更斯无法解释的干涉现象。他的实验是对波动学说的最好证明,但却因为严重挑战了与微粒说息息相关的牛顿的权威而受到了许多学者的攻击,这个继牛顿以来最伟大的光学成果在二十年内无人问津。尽管杨由于早期对光是纵波的误解导致部分理论存在错误,但双缝干涉实验结束了微粒说的统治在十九世纪开启了波动说的辉煌时代。

  ⑸波动性及微粒性的拉锯战

  尽管干涉理论让波动学说占据了上风,但这场波粒之战并未落下帷幕。在杨氏之后的数十年内,两个学说开始了你来我往的激烈论争。

  1809年,马吕斯发现,按照波动学说光是纵波的理论无法解释实验发现的折射光所出现的部分偏振,这一发现有力反驳了波动学说。1811年,布儒斯特发现了光的偏振定理,这一发现让波粒之争开始向微粒学说倾斜。

  面对偏振困境,杨氏又开始了大量研究,他发现惠更斯的纵波理论让波动学说走进了困境。1817年,杨氏突破了前人的定式思维桎梏,提出了光的横波猜想,并在1819年由菲涅尔和阿拉戈的实验所证明。1817年菲涅耳向法国科学院提交了论文,而反对波动说的泊松更是根据菲涅尔的结果的到了泊松亮斑,给了微粒学说沉重一击。

  1887年,德国物理学家赫兹得到了反驳光的波动性的有力证据——光电效应。1882年,德国天文学家夫琅和费对光通过光栅产生衍射现象的研究及物理学家施维尔德对这种现象的完美诠释让波动说开始壮大,微粒说渐渐走向劣势。

  ⑹最终的胜者——波粒二象性

  英国物理学家麦克斯韦预测了光的电磁说,让波动说在波粒之战中取得了极大优势。但克尔逊与莫雷否定以太存在的“以太漂流”实验和赫兹偶然发现的光电效应现象却给光的波动学说带来了了新的困难。

  1900年,德国物理学家普朗克在对黑体进行研究时提出了“量子化”这一猜想。在普朗克的启发下,爱因斯坦于1905年提出光量子假说,认为光以光子形式在空间中传播,这种假说完美解释了光电效应现象。1905年3月,爱因斯坦在自己的论文中阐述了他对于光本性的看法及相关研究。爱因斯坦认为人们只有结合波动和微粒这两种互相矛盾的的观点才能正确描述光的本性,即波粒二象性。这一科学理论最终得到了物理学家们的一致认同。这场旷日持久,跨越两个世纪的物理战役终于迎来了完美的结局。

  3、康普顿散射实验

  1923年,美国物理学家康普顿在进行X射线散射实验时,与入射相比发现散射出去的光中不但存在波长为λ0的原X光,还产生了波长为λ(λ>λ0)的X光。利用爱因斯坦的光量子假说,康普顿完美解释了这个经典电磁理论无法解释的实验现象:电子与光子在散射过程中发生了弹性碰撞,整个过程由于弹性碰撞使得电子与光子处于动量和能量守恒状态,化简后可以得到

  Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin2(φ/2)

  称为康普顿散射公式。因此康普顿散射实验是光的微粒学说的代表性实验。

  图表1康普顿效应

  ㈡物质的波粒二象性

  在光本性的战争中,微粒学说统治了17、18世纪,在19世纪波动学说揭竿而起。到了20世纪,普朗克和爱因斯坦让这场战争尘埃落定:光的本性是微粒与波动两种性质的矛盾同一即波粒二象性。300多年来,无数物理学家的不断努力才解开了光本性的面纱。他们不仅仅继承了前人的思想,又为后继者带来新的思考和智慧的启迪。

  法国物理学家德布罗意在阅读了普朗克和爱因斯坦在索尔维会议上关于“辐射理论和量子”的出色演讲后,对量子世界产生了极大兴趣。在与哥哥莫里斯对X射线的研究实验中,兄弟二人对X射线本性的激烈讨论使德布罗意向着波动性与粒子性相结合的方向前进。1923年的夏天,他脑中迸发出了一个创造性的想法:光量子所具有的波粒二象性能否出现在一般物质上?德布罗意认为,在研究关于光的理论时,既要考虑粒子性还要考虑波动性。类比于光,一般的实物粒子也应该具备这两种性质。他认为一直以来,对于光的本性的研究,人们盲目地把重点放在了波动性而非粒子性上,而对于实物粒子来说却恰恰相反,波动性成为了研究盲区。1923年,德布罗意发表了自己的研究论文《波与量子》。德布罗意研究发现在实物粒子在运动过程中常有一种波动相伴而行,波矢量与动点之间存在着相位上的一致性,于是他提出实物粒子也具有波粒二象性。尽管在当时仅仅是一篇尚未叙述完全地小文章,但德布罗意富有独创性地理论还是得到了爱因斯坦、朗之万等人的支持。

  仅仅一年后,年轻的德布罗意将自己之前的研究结论整合在《量子理论的研究》中,指出一切实物粒子都具有波动性,其运动所产生的相位波可以通过晶体衍射实验进行检测。德布罗意引进了新的波动概念,他把量子化条件形象生动地化为波和波的干涉及驻波的形成的结果,为玻尔定态带来了一种图解。德布罗意从整个理论结构出发,将爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论相结合,以经典波动形式诠释量子条件,得到了著名的德布罗意关系:

  λ=h/p

  (λ表示被求解的物体的波长;h为普朗克常量;p是动量)

  尽管德布罗意提出了足够新颖的理论,但在当时匮乏的实验条件下无法找到有力的实验证据来支撑这些理论,于是给后来者留下了机会。

  1、电子的二象性

  1927年,戴维孙和革末在电子的晶体衍射实验中验证了了德布罗意猜想。它们在实验中使用了电子能量很低的电子束,首次使用的仅有54 kev。同年G.P.汤姆逊用能量在1000-8000 ev的较快速或慢速的电子重复了戴维孙的实验,通过观察电子束垂直射入金属薄膜上所产生的衍射图样来计算电子波长。实验数据与理论计算结果的完全吻合充分证实了德布罗意相位波理论。

  1961年,克劳斯·约恩松利用特殊工艺突破性地进行了电子单缝衍射实验。他在薄金属片上制得了5条长50μm,宽0.3μm,间距为1μm的狭缝,用50 kV的电压加速电子,完成了电子波的单缝及多缝衍射实验,在实验误差范围内得到了与理论计算结果完全符合的实验数据。

  缪伦斯德特与德维克尔的电子光学双棱镜实验也是一个极具代表性的电子波动性验证实验。与菲涅尔双棱相似,F是一条外面镶金的作电极用的石英细丝,上加正电位,两侧极板接地。当高速粒子接近F时会发生偏转,于是从电子源S发出的电子就可看作从两个虚电子源S′、S″发出。实验观察到在op面上两个粒子源的重叠部分产生干涉条纹,因此验证电子具有波动性。

  图表2双棱镜干涉实验示意图(a)光学(b)电子

  图表3加在电极F上不同电压产生图样

  1974年,皮尔·梅利使用发射相邻两个电子非常缓慢的微弱电子流让电子一粒一粒的发射出来。通过对探测屏上图样的观察,他发现微弱电子流所产生的衍射图样与强107倍的电子流所得到的图样完全相同。

  现代技术已经可以做到控制逐次发出单个电子,在屏上逐渐形成衍射图样,说明了“即使是单独的电子也具有波动特性”。

  图表4电子衍射图样

  2、其他物体的二象性

  戴维孙-革末的电子衍射实验直截了当的证明了电子和光子一样具有波粒二象性。在原子核中,与中子和质子相比较而言,电子的质量极小,如图5所示,仅有9.10956×10-31 kg,无法成为实物粒子波动性的普适性证据。若是能证明一种比较重的普通物质原子也具有某种波动性,那么物质波设想将成为牢固的现实。

  图表5原子质子中子对比图

  ⑴气体分子

  1930年埃斯特曼和斯特恩重复了戴维孙-革末的晶体衍射实验,用氦原子和氢分子束代替了电子,将其入射至氟化锂晶体上。若入射物质具有粒子性,则原子束会发生机械反射直接原路返回,反射角约等于入射角;若具有波动性,则原子束会像波一样绕射产生绕射原子散布,反射角将明显不等于入射角。斯特恩与埃斯特曼通过观察收集绕射散原子的压力变化,发现某一时刻压力升至某一顶点,即在晶体散射时出现极大值。实验测得在290 k时的氦气分子散射的最大值与在580 k时的氢气分子散射的最大值出现在同一角度,证明二者波长相等。实验测得氦原子和氢分子的波长与理论计算值的误差仅仅1%-2%,验证了氦原子和氢分子的波动特性,藉此证明了德布罗意物质波假设的普适性。

  ⑵中子

  中子的质量为1.6749286×10-27 kg,稍重于质子,是一种不带电的基本粒子也是组成原子核不可或缺的成分。当波长为0.1 nm左右的中子穿过晶体时会产生布拉格衍射,这种衍射就称为中子衍射。当中子发出的德布罗意波以掠射角射向晶体表面时,在相邻两晶面上所反射的两个中子波之间会产生一个数值为的波长差。当波长差等于该中子波长的整数倍时,这两个反射波会因为彼此相干而被加强,当整个晶体上的相邻晶面反射的中子波因相干叠加时,就会产生衍射峰。实验证明,中子与与光子一样也具有波粒二象性。中子衍射方法是晶体单色器、晶体空间结构测定、磁结构方面的重要研究技术。

  图表6中子衍射仪

  ⑶C60富勒烯

  富勒烯是一种中空分子,完全由碳组成,与石墨在结构上极其相似,含有五元环、六元环甚至还有七元环。自从1985被发现,富勒烯家族不断壮大,出现了越来越多新结构的富勒烯。在富勒烯家族中,C60及其衍生物是富勒烯家族中被研究和应用最多的成员。

  图表7富勒烯

  1999年,维也纳大学研究团队进行了一次远场衍射实验。在实验中,他们观察到C60富勒烯的衍射条纹。实验数据显示C60富勒烯的原子量为720 u,其德布罗意波长为2.5 pm,长度约为其分子直径的1/400,相当大型且沉重。2012年,研究人员用酞菁分子和更重的衍生物取代了C60富勒烯进行远场衍射实验,同样观察到了干涉条纹。

  ⑷大质量分子

  2003年,维也纳研究团队对四苯基卟啉进行实验。四苯基卟啉是一种分子式为C44H30N4的生物染料,质量为614 u,可延伸达2 nm。在实验中,他们一种近场塔尔博特-劳厄干涉仪观察到C44H30N4.的干涉条纹。C60F48.是一种质量为1600 u由108个原子组成的氟化巴基球。该团队同样也观察到了C60F48的干涉条纹。具有相当复杂性的大质量分子如像C70富勒烯,也可以进行试验并观察到干涉现象。2011年,该团队成功观察到质量为6910 u的分子的干涉条纹。到2013年,质量超过10,000 u的大质量分子也能观察到干涉条纹。

  上述实验有力证明了一切粒子都具有波的性质,这些越来越精密的实验结果补足了德布罗意的相位波理论在实验方面的空白,验证了德布罗意对于实物粒子性质的独特猜想。德布罗意相位波的理论为量子领域的发展做出了极大贡献。

  三、二象性的应用

  1、物理方面

  波粒二象性的发现是物理学领域内一架连接起微观与宇观的坚实桥梁,它不仅解决了历史上的难题,也为新世纪的科技研究带来了许多新的研究方向。

  ⑴量子光学

  量子光学就是在量子力学领域对光子的本性进行研究而产生的科学,波粒二象性对理解光与物质之间的相互作用至关重要。1960年起,激光的出现让激光科学开始走进科研领域,对于量子力学来说光的性质尤其重要,开始出现“量子光学”这个名称。1977年,金布尔等人通过控制单个原子发射光子的实验证明了光子的存在。近年来,量子光学发现了光在固态方面及机械力方面的应用。而量子逻辑门的发现更是拓展了来自量子光学和及理论计算机科学的量子信息领域。

  ⑵散粒噪声

  散粒噪声指由于物理器件中的电子光子发射不均匀导致通讯设备中的有源器件产生的噪声,在电子工程学、国防通信和基础物理领域具有重要影响。信号中的散粒噪声的平均值会遵循泊松分布,当有大量粒子存在时就会呈现正态分布。散粒噪声的存在是恰恰证明了物质的波粒二象性。一束由光子构成的激光照射到墙上产生光斑,通过不断调低激光器的功率理论上可以控制使激光器中每秒出射的光子平均值。散粒噪声它经常出现在类似电真空管的有源电子器件之中,是现代电子工程技术领域需要克服的一种技术困难。

  ⑶自发参量

  在量子光学里,自发参量下转换是一种量子领域的关键技术,可以用来制备单个的光子或彼此之间量子纠缠的光子对的。自发参量下转换可以用来制备拥有近似单光子的光学场。直至2005年为止,这是制备单独光子实验使用的主要的机制。2008年,另外一种机制用电驱动半导体源被提出,其基本原理是新观察到的半导体的双光子发射效应。量子信息实验、量子密码实验、贝尔实验检验等等,时常会用到单独光子或光子对。

  ⑷分子光谱

  分子光谱是指对分子和带有已知能量的探测信号进行处理时产生的频谱。通过分析分子光谱,可以掌握分子的许多信息,诸如键长、键的类型等。还可以分析分子结构并由分子吸收光谱或发射光谱来分析其能量交换,进而分析分子的量子化能级。对与了解物质结构和发展量子力学来说至关重要。时至今日,分子光谱学成果的应用仍十分广泛。随着光谱学的迅速发展,在现代医学、化学化工和新能源开发等领域中都有重要的作用。

  ⑸铯原子钟

  2013年,加利福尼亚大学的霍尔格·穆勒和同事在《科学》杂志上发表了一篇关于“康普勒钟”的论文,文中详细介绍了如何利用一个铯原子的物质波来判断时间。铯钟,是美国人N·F·拉姆齐发明的一种使用铯来计时的精密仪器。由于物质的波粒二象性,铯原子可以被看作一种波。运动着的铯原子振动频率减少大约十万次,频率的可测量使得铯原子钟成为现实。铯原子钟对卫星系统的正常运行及数据定位至关重要,广义相对论在物理领域建立了新的时空观:重力场扭曲了时空结构,在像黑洞这样的大质量的物体附近,时间会因为相对论效应更加缓慢地流动,而在远离黑洞的地方时间流动则相对快一点。卫星上的时钟因高速运动导致时间延缓,而与地面上受重力场的时钟产生时间差。因此,铯原子钟广泛使用在航空航天、地理探测和国防科技等领域中。

  2、其他领域方面

  二象性不光在物理学领域大放异彩,在其他非物理领域也占有一席之地。在在物理学中二象性是许多科研探索的基石,但在其他领域它作为一种辩证看待问题的哲学思想给予人们启迪。

  ⑴医学方面

  类比物理学的波粒二象性,医学方面也有中西医二象性。在哲学指导思想和思维方式特点角度来看,中西医的良好连结对医学领域的发展至关重要。首先,在对生命本体的认识上,中医学以阴阳五行为基础,追求人体精神与元气的协调;而西医学以组织结构为基础,追求人体生理病理上的复原。因此中医学更讲求对整体机能的治疗而西医学则更关注损害个体的还原。其次,在思维方法论方面,中医学着重从整体的角度全面地认识问题,而西医学则侧重于从病变部分直观的角度。由上可知,不同的哲学思想基础成就了中医向外联系及西医向内分割的不同思维特点[12]。如从波粒两个方面来描述微观粒子特性一般,面对病情也应分别综合中西医两个角度进行探索与研究。

  ⑵哲学方面

  类比物理学的波粒二象性,人也具有物质精神二象性。波与粒子这两种完全不同的性质,却都是光的本质;物质与精神是迥然不同,但二者统一于人之中。人的物质肉体是由许多不同种化学元素组成的客观实体,有具体物理形态且独立存在;人的精神是不由化学元素构成的非实体,是无法脱离物质载体而存在的思想活动。这样看物质与精神是相互矛盾的,可是二者却统一于人之中。单一的物质性或精神性无法阐明人的本质,但作为人来说这二者又是缺一不可的的。人的本质也就是物质精神的二象性,因此哲学所探讨的基本问题就是物质与精神的关系问题[15]。

  ⑶经济方面

  类比物理学的波粒二象性,经济学也存在利己利他二象性。行为经济学者认为人类在特定情况下会产生不但利己而且利他的经济行为,如慈善义卖。而古典经济学则认为人是自私自利的,人的经济行为最终目的都是最大化满足自身欲望像哄抬物价,哪怕进行利他行为也仅仅是迂回利己行为。如同波粒二象性,人的经济行为是利己还是利他与是人性的两个方面,二者客观存在又相互排斥。人的经济行为表现出何种特性则是由人与社会、经济、文化、政治环境下相互作用的,对其的分析也要从两个角度辩证看待。