對波粒二象性的理解認識過程

宋霄森

摘 要：波粒二象性在被證實之前一直是備受爭議的，許多科學家在為波粒二象性的辨證過程中做出了重大的犧牲。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，指出光波同時具有波和粒子的雙重性質。點子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被后來的電子衍射試驗所證實。

關鍵詞：波粒二象性；電子衍射；光電效應；電子

波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述，也可以部分地用波的術語來描述。這意味著經典的有關“粒子”與“波”的概念失去了完全描述量子范圍內的物理行為的能力。愛因斯坦這樣描述這一現象：“好像有時我們必須用一套理論，有時候又必須用另一套理論來描述（這些粒子的行為），有時候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要借助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實，兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的，但是合在一起便可以。” 波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出“物質波”假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被后來的電子衍射試驗所證實。

一、笛卡兒提出的兩點假說

在人們對物理光學的研究過程中，光的本性問題和光的顏色問題成為焦點。關于光的本性問題，迪卡爾在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中提出了兩種假說。一種假說認為，光是類似于微粒的一種物質；另一種假說認為光是一種以“以太”為媒質的壓力。雖然笛卡兒更強調媒介對光的影響和作用，但他的這兩種假說已經為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。

二、格里馬第發現了光的衍射現象

格里馬第設計了一個實驗：讓一束光穿過一個小孔，讓這束光穿過小孔后照到暗室里的一個屏幕上。他發現光線通過小孔后的光影明顯變寬了。格里馬第進行了進一步的實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，這時得到了有明暗條紋的圖像。他認為這種現象與水波十分相像，從而得出結論：光是一種能夠作波浪式運動的流體，光的不同顏色是波動頻率不同的結果。格里馬第第一個提出了“光的衍射”這一概念，是光的波動學說最早的倡導者。

三、牛頓用微粒說闡述了光的顏色理論

在1672年，偉大的牛頓在他的論文《關于光和色的新理論》中談到了他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜。他認為，光的復合和分解就像不同顏色的微粒混合在一起又被分開一樣。在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。

四、惠更斯提出了波動學說比較完整的理論

惠更斯認為，光是一種機械波；光波是一種靠物質載體來傳播的縱向波，傳播它的物質載體是“以太”；波面上的各點本身就是引起媒質振動的波源。根據這一論，惠更斯證明了光的反射定律和折射定律，也比較好的解釋了光的衍射、雙折射現象和著名的“牛頓環”實驗。如果說這些理論不易理解，惠更斯又舉出了一個生活中的例子來反駁微粒說。如果光是由粒子組成的，那么在光的傳播過程中各粒子必然互相碰撞，這樣一定會導致光的傳播方向的改變。而事實并非如此。

五、牛頓的微粒學說逐步的建立起來

牛頓修改和完善了他的光學著作《光學》。基于各類實驗，在《光學》一書中，牛頓一方面提出了兩點反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產生影子；第二，冰洲石的雙折射現象說明光在不同的邊上有不同的性質，波動說無法解釋其原因。另一方面，牛頓把他的物質微粒觀推廣到了整個自然界，并與他的質點力學體 系融為一體，為微粒說找到了堅強的后盾。

六、光的偏振現象和偏振定律的發現

1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現象，批駁了楊氏的波動說。1809年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動說的有利證據。1811年，布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。光的偏振現象和偏振定律的發現，使當時的波動說陷入了困境，使物理光學的研究更朝向有利于微粒說的方向發展。面對這種情況，楊氏對光學再次進行了深入的研究，1817年，他放棄了惠更斯的光是一種縱波的說法，提出了光是一種橫波的假說，比較成功的解釋了光的偏振現象。吸收了一些牛頓派的看法之后，他又建立了新的波動說理論。楊氏把他的新看法寫信告訴了牛頓派的阿拉戈。

七、菲涅耳與阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論

1815年菲涅耳就試圖復興惠更斯的波動說，但他與楊氏沒有聯系，當時還不知道楊氏關于衍射的論文，他在自己的論文中提出是各種波的互相干涉使合成波具有顯著的強度。事實上他的理論與楊氏的理論正好相反。后來阿拉戈告訴了他楊氏新提出的關于光是一種橫波的理論，從此菲涅耳以楊氏理論為基礎開始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了對由兩個平面鏡所產生的相干光源進行的光的干涉實驗，繼楊氏干涉實驗之后再次證明了光的波動說。阿拉戈與菲涅耳共同研究一段時間之后，轉向了波動說。1819年底，在非涅耳對光的傳播方向進行定性實驗之后，他與阿拉戈一道建立了光波的橫向傳播理論。

八、新的波動學說牢固的建立起來

1882年，德國天文學家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現象。在他之后，德國另一位物理學家施維爾德根據新的光波學說，對光通過光柵后的衍射現象進行了成功的解釋。至此，新的波動學說牢固的建立起來了。微粒說開始轉向劣勢。隨著光的波動學說的建立，人們開始為光波尋找載體，以太說又重新活躍起來。一些著名的科學家成為了以太說的代表人物。但人們在尋找以太的過程中遇到了許多困難，于是各種假說紛紛提出，以太成為了十九世紀的眾焦點之一。菲涅耳在研究以太時發現的問題是，橫向波的介質應該是一種類固體，而以太如果是一種固體，它又怎么能不干擾天體的自由運轉呢。

不久以后泊松也發現了一個問題：如果以太是一種類固體，在光的橫向振動中必然要有縱向振動，這與新的光波學說相矛盾。為了解決各種問題，1839年柯西提出了第三種以太說，認為以太是一種消極的可壓縮性的介質。他試圖以此解決泊松提出的困難。1845年，斯托克斯以石蠟、瀝青和膠質進行類比，試圖說明有些物質既硬得可以傳播橫向振動又可以壓縮和延展——因此不會影響天體運動。

九、愛因斯坦因光的波粒二象性獲諾貝爾物理學獎

1887年，德國科學家赫茲發現光電效應，光的粒子性再一次被證明！二十世紀初，普朗克和愛因斯坦提出了光的量子學說。在眾多科學家的不懈努力之下，在萬眾注目的情況之下，光最終以同時具有波動性說和微粒說的結果而告終。作為當代新青年，我們要有勇于探索，不斷開拓的創新精神，以不放棄的大無畏精生去探索浩瀚的物理海洋

參考文獻：

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[2]石順祥 張海興 劉勁松 無力光學與應用光學，西安電子大學出版社 2000.289-290

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