關(guān)于波粒二象性的理解與認(rèn)識(shí)

王文龍

（長(zhǎng)慶油田分公司培訓(xùn)中心 陜西西安 710000）

關(guān)于波粒二象性的理解與認(rèn)識(shí)

王文龍

（長(zhǎng)慶油田分公司培訓(xùn)中心 陜西西安 710000）

本文介紹了波粒二象性的概念，闡述了該概念在光學(xué)和量子力學(xué)兩方面的重要意義，利用波粒二象性理論解析了與其密切相關(guān)的光電效應(yīng)現(xiàn)象，并敘述了波粒二象性理論的誕生與發(fā)展史，希望能增進(jìn)大家對(duì)這一概念的了解。

波粒二象性 理解 認(rèn)識(shí) 量子力學(xué)

在近代物理學(xué)中，波粒二象性是一個(gè)具有極高知名度的詞匯。但許多人對(duì)其的了解僅限于表面，對(duì)其本質(zhì)概念、意義、誕生、發(fā)展的了解程度都不高，本文將于此對(duì)這些進(jìn)行一定程度的介紹說(shuō)明。

一、波粒二象性的概念

波粒二象性是一種量子力學(xué)概念，用于描述一種特殊的物質(zhì)特征，即物質(zhì)同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。最初，這種概念只被用來(lái)詮釋光的特性，但隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展，人們認(rèn)為所有的微觀粒子都具備波粒二象性，該概念的應(yīng)用和研究領(lǐng)域都得到了極大的拓展。

根據(jù)量子力學(xué)理論，微觀粒子均具有波粒二象性，但在通常情況下往往體現(xiàn)為單一性質(zhì)。因?yàn)楫?dāng)微觀粒子體現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，粒子性會(huì)變得不顯著，相對(duì)的，當(dāng)微觀粒子體現(xiàn)出粒子性時(shí)，波動(dòng)性會(huì)變得不顯著，兩種性質(zhì)何者體現(xiàn)出來(lái)取決于不同的條件。因此，從本質(zhì)上來(lái)看，波粒二象性這種概念也可以看作是在描述微觀粒子的這種特殊行為。

如前文所述，波粒二象性最初是愛因斯坦為詮釋光的性質(zhì)問(wèn)題所提出的，屬于光量子學(xué)說(shuō)的一部分。根據(jù)該理論，光的構(gòu)成基礎(chǔ)是光子，這是一種光能量子，擁有動(dòng)能與動(dòng)量，因此光雖然在宏觀上會(huì)體現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，但在微觀上則是粒子性更為顯著，即光具有波粒二象性。這種說(shuō)法完美地解釋了光電效應(yīng)，因?yàn)楣怆娦?yīng)中的電子是被光子撞擊出去的，而光子帶有能量，能量值為光頻率與普朗克常數(shù)之積（光電效應(yīng)方程），光子想要擊出電子，攜帶的能量必須達(dá)到一定值。根據(jù)量子化效應(yīng)，電子在接受光子能量時(shí)只能整份接受，所以光子能否把電子擊出取決于每個(gè)光子的單份能量，而不是總能量。雖然光強(qiáng)越高，光子數(shù)量也就越多，但光強(qiáng)對(duì)單份光子的能量并無(wú)影響。因此，最終決定光子能否擊飛電子的是決定單份光子能量的光子頻率，而光子頻率同時(shí)決定了光的顏色。因?yàn)樗{(lán)光比紅光的頻率要高，所以藍(lán)光的單份光子能量更高，這能量會(huì)在與電子撞擊時(shí)整份轉(zhuǎn)移給電子，將電子擊飛，由此就引發(fā)了光電效應(yīng)。紅光的頻率比藍(lán)光低，單份光子能量也低，雖然光強(qiáng)高、光子數(shù)量多，但光子均不足以擊飛電子，所以無(wú)法產(chǎn)生光電效應(yīng)。

二、波粒二象性的研究發(fā)展

1.波粒二象性提出前的相關(guān)研究

光是自然界中非常特殊的一種物質(zhì)，在傳統(tǒng)物理的研究中，人們嘗試通過(guò)光所引發(fā)的現(xiàn)象來(lái)解析光的本質(zhì)，但卻遭遇了很大的困難與分歧。光既能引發(fā)一些只有波才能引發(fā)的現(xiàn)象比如折射、反射、散射等，也能引發(fā)部分只有粒子才能引發(fā)的現(xiàn)象，比如偏振現(xiàn)象、光電效應(yīng)等。直到愛因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，兩派物理學(xué)家已經(jīng)為此爭(zhēng)論了數(shù)百年。在這兩派觀點(diǎn)中，波動(dòng)說(shuō)的理論體系比較完善，能解釋絕大多數(shù)宏觀現(xiàn)象，而且隨著橫波理論與合成波理論的提出，原本波動(dòng)性無(wú)法解釋的偏振現(xiàn)象也得到了解釋，因此波動(dòng)說(shuō)在歷史上相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期里都是解釋光的性質(zhì)的主流學(xué)說(shuō)。但該派理論始終無(wú)法找到光波載體這種波的最基本要素，所以一直不夠完善，光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，波動(dòng)說(shuō)的根基更是直接被動(dòng)搖。粒子說(shuō)的理論體系則相對(duì)缺乏完善性，對(duì)光的多種宏觀波動(dòng)性現(xiàn)象都缺乏有力的解釋，但在波動(dòng)性理論無(wú)法解釋的多種現(xiàn)象上，粒子說(shuō)都可以做出相當(dāng)完美的詮釋。在這種互有優(yōu)劣的情況下，兩派理論被長(zhǎng)期爭(zhēng)論可以說(shuō)是理所當(dāng)然的。

2.波粒二象性的提出

1887年，光電效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)，這種特殊的光效應(yīng)令波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)都陷入了一種尷尬的境地。首先，雖然光的波動(dòng)說(shuō)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為主流，但波動(dòng)說(shuō)完全無(wú)法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。另一方面，一直以來(lái)都能解釋波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋的光學(xué)現(xiàn)象的粒子說(shuō)也只能對(duì)光電效應(yīng)做出部分解釋，雖然根據(jù)粒子說(shuō)理論，可以認(rèn)為光電效應(yīng)中的電子是被光的粒子撞擊出去的，但為什么藍(lán)光可以引發(fā)光電效應(yīng)而紅光不能，這點(diǎn)連粒子說(shuō)也無(wú)法解釋。可以說(shuō)，光電效應(yīng)令兩派學(xué)說(shuō)同時(shí)面臨瓶頸。

在這種情況下，普朗克的能量子理論給了愛因斯坦極大的啟發(fā)，他以此為基礎(chǔ)提出了光量子的概念，認(rèn)為光能量并非連續(xù)分布，而是分作無(wú)數(shù)份彼此集中的，這樣一來(lái)光就會(huì)同時(shí)具備波動(dòng)性和粒子性，即光具有波粒二象性。該理論幾乎完美地解釋了包括光電效應(yīng)在內(nèi)的所有宏觀與微觀光學(xué)現(xiàn)象，引起了物理學(xué)界的極大震動(dòng)，愛因斯坦也憑該理論獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。

需要注意的是，愛因斯坦雖然提出了光的波粒二象性，但在該理論中，無(wú)論是波動(dòng)性還是粒子性都與經(jīng)典物理學(xué)中的概念有一定的差異。換言之，光作為波的性質(zhì)不屬于經(jīng)典波，作為粒子的性質(zhì)也不屬于經(jīng)典粒子。因此，愛因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一種概念上的統(tǒng)一，這也是其在量子力學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)。

3.波粒二象性的研究拓展

光的波粒二象性提出后，作為其基礎(chǔ)之一的光電效應(yīng)方程在1916年得到了實(shí)證，此后該概念開始在物理學(xué)界得到了廣泛的認(rèn)可，針對(duì)其進(jìn)行的深化和拓展研究也越來(lái)越多。在諸多研究成果中，以德布羅意的研究成果最為顯赫，他針對(duì)波粒二象性理論進(jìn)行逆向思考，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)物微觀粒子進(jìn)行了重詮釋，提出實(shí)物微觀粒子與光一樣具有波粒二象性，這將波粒二象性從光學(xué)的理論概念拓展到整個(gè)量子力學(xué)領(lǐng)域的理論概念，極大地促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)：

總體來(lái)說(shuō)，波粒二象性理論為物理學(xué)界的發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)，不僅解釋了光的本質(zhì)，而且奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。但近年來(lái)，隨著相對(duì)論量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，該理論也受到了一定的質(zhì)疑，這會(huì)是未來(lái)的物理學(xué)界極為關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

[1]黃志洵.波粒二象性理論的成就與存留問(wèn)題[J].北京廣播學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000(04)

[2]孔令文.論述光的波粒二象性[J].邯鄲師專學(xué)報(bào)，2000(03)

王文龍（1962-），男，漢族，陜西蒲城人，畢業(yè)于陜西教育學(xué)院數(shù)學(xué)專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事物理、井控教學(xué)。