波粒二象性的發(fā)展簡史

2016/11/3 15:13:52

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

不過在二十世紀(jì)來臨之時(shí)，這個(gè)觀點(diǎn)面臨了一些挑戰(zhàn)。1905年由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應(yīng)展示了光粒子性的一面。隨后，電子衍射被預(yù)言和證實(shí)了。這又展現(xiàn)了原來被認(rèn)為是粒子的電子波動性的一面。

這個(gè)波與粒子的困擾終于在二十世紀(jì)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(xiàn)出這兩種性質(zhì)。量子力學(xué)認(rèn)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，如薛定諤方程來描述。這個(gè)方程的解即為波函數(shù)，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)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(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的幾率幅。這樣，粒子性和波動性就統(tǒng)一在同一個(gè)解釋中。

之所以在日常生活中觀察不到物體的波動性，是因?yàn)樗麄兊馁|(zhì)量太大，導(dǎo)致特征波長比可觀察的限度要小很多，因此可能發(fā)生波動性質(zhì)的尺度在日常生活經(jīng)驗(yàn)范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿意地解釋"自然現(xiàn)象"。反之，對于基本粒子來說，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(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。

1800年，托馬斯·楊發(fā)表了《在聲和光方面的實(shí)驗(yàn)與問題》的論文，認(rèn)為光與聲都是波，光是以太介質(zhì)中傳播的縱振動，不同顏色的光與不同頻率的聲音是相類似的。他在分析了水波的疊加現(xiàn)象之后說，在聲波疊加的情況下，可以產(chǎn)生的加強(qiáng)和減弱，出現(xiàn)復(fù)合聲調(diào)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)會上宣讀了關(guān)于薄膜色的論文。論文進(jìn)一步擴(kuò)充和發(fā)展了惠更斯的波動說，明確地提出了光具有頻率和波長，完善了光波的概念。他比較圓滿地解釋了牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象，認(rèn)為"當(dāng)有不同起源的兩個(gè)振動運(yùn)動或者完全相同，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)振動單獨(dú)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)會報(bào)》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，在光線的路程差是某個(gè)長度的整數(shù)倍的地方，光就被加強(qiáng)，而在干涉區(qū)域中間狀態(tài)，光將最強(qiáng);對于不同顏色的光束來說，這個(gè)長度是不同的。"

1802年，托馬斯·楊在英國皇家學(xué)會講演時(shí)，引用自己所做的雙孔(雙縫)干涉實(shí)驗(yàn)。他說:"為使這兩部分
雙縫實(shí)驗(yàn)
雙縫實(shí)驗(yàn)光在屏幕上引起的效果疊加起來，需要使來自同一光源、經(jīng)過不同路徑的光到達(dá)同一區(qū)域，而不使其相離散，如有離散，也能根據(jù)回折、反射或折射把光從一方或從兩方重合起來，將它們的效果疊加。但是，最簡單的辦法是將平行光通過兩個(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，光的暗影對稱地向兩側(cè)散開。然而，屏幕與小孔的距離越遠(yuǎn)，從小孔射來的光就越按相同的角度延伸與擴(kuò)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(kuò)張，這兩部分光疊合后，在屏幕上正對兩小孔連線的中心處最明亮。兩側(cè)部分，光從兩個(gè)小孔到達(dá)各點(diǎn)有一定的路程差，若路程差是光波波長的1倍、2倍、3倍……，路程差是光波波長1/2，3/2，5/2倍則屏幕上的這些地方為亮區(qū)，并且相鄰的亮區(qū)間的距離相等。另一方 的地方。"這就是著名的楊氏雙孔雙縫實(shí)驗(yàn)。

托馬斯·楊用紅光照射雙孔，觀察通過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(qiáng)均勻的光點(diǎn);當(dāng)兩個(gè)孔均不遮掩時(shí)，屏上兩個(gè)光點(diǎn)重合區(qū)出現(xiàn)了紅黑交替的光帶，紅帶相當(dāng)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(jù)各種實(shí)驗(yàn)比較，組成極端紅光的波長，在空氣中應(yīng)為l/36000英寸，極端紫光應(yīng)為1/60000英寸，準(zhǔn)確測得的可見光的波長。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(yīng)用于解釋衍射現(xiàn)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(yàn)驗(yàn)證。對隨著影子出現(xiàn)的有色邊緣進(jìn)行若干次實(shí)驗(yàn)，便發(fā)現(xiàn)關(guān)于光的兩部分的一般法則，有色邊緣是根據(jù)兩部分光的干涉形成的。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)將木板套窗打開一個(gè)孔，在上面糊上一張厚紙，在厚紙上用針尖鉆個(gè)孔，為了觀察方便起見，在木板套窗外的一個(gè)適當(dāng)位置放一個(gè)小鏡子，從那里反射的太陽光按水平方向射到對面的墻壁上，并且將1/30英寸細(xì)長紙片插入太陽光中觀察。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(cè)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(xì)，它的數(shù)值隨觀察影子的距離而異，影子的中心部分總是呈白色。這些邊緣是通過細(xì)紙片的每個(gè)側(cè)面的光的兩部分合成的結(jié)果，并且與其說是折射不如說是衍射。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)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，從角的平分線開始向兩側(cè)排列，向著角平分線以凸?fàn)顝澢�著。并且離角平分線越遠(yuǎn)越細(xì)。這些邊緣也是在物體兩側(cè)對影子方向直接彎曲的光疊加的結(jié)果。

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

托馬斯·楊對光的本性又作了進(jìn)一步的爭辯，他說:"固執(zhí)于牛頓的光的理論或現(xiàn)代光學(xué)專家的不太普遍的假說的人們，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(yàn)的說明。并且，如果他的這種努力失敗的話，他應(yīng)該承認(rèn)這些事實(shí)，至少應(yīng)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(yàn)或計(jì)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)對通過同一介質(zhì)的相干光來說，在離相干光源為某距離的連續(xù)的同心面上交替變化。由測定的一致性與同類現(xiàn)象的相似性，可以下結(jié)論說，這些間隔同薄膜彩色條紋的排列形式有關(guān)系。當(dāng)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)也說明，這不是折射朝向密的介質(zhì)的引力的結(jié)果。支持光的粒子說的人們，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(kuò)大，樂音互相中和，根據(jù)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(jié)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)生半波損失的觀點(diǎn)，補(bǔ)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(jiān)持牛頓的微粒說造成的。本來，偏振現(xiàn)象是橫波的特性，對偏振現(xiàn)象研究越深入就越有利于光的波動理論。這時(shí)，只要將惠更斯與托馬斯·楊的"縱波"改成"橫波"，那么其它問題就迎刃而解了。但是，馬呂斯和布儒斯特在波動理論尚未做出這一改變之前，強(qiáng)烈的反對波動理論。托馬斯·楊沒有隱匿困難，更沒有被困難所嚇倒，1811年，他在給馬呂斯的信中說:"你的實(shí)驗(yàn)證明了我所采用的理論不足，但是這些實(shí)驗(yàn)并沒有證明它是錯的"，六年后，他覺察到，若將聲波看成與水波類似的橫波，那么這個(gè)困難就可以得到較好的解決。1817年1月12日，他在寫給阿拉果的信中說:"根據(jù)這個(gè)學(xué)說的原理，所有波都象聲波一樣是通過均勻介質(zhì)以同心球面單獨(dú)傳播，在徑向方向上只有粒子的前進(jìn)或后退運(yùn)動，以及伴隨它們的凝聚與稀疏。顯然波動說可以解釋橫向振動也在徑向方向上以相等速度傳播，但粒子的運(yùn)動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(jù)波動理論對偏振現(xiàn)象作了最初的解釋。其后，菲涅耳與阿拉果更充分地驗(yàn)證并解釋了它。

不過在二十世紀(jì)來臨之時(shí)，這些觀點(diǎn)面臨了一些挑戰(zhàn)。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦對于光電效應(yīng)用光子的概念來解釋，物理學(xué)者開始意識到光波具有波動和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，路易·德布羅意提出"物質(zhì)波"假說，他主張，"一切物質(zhì)"都具有波粒二象性，即具有波動和粒子的雙重性質(zhì)。根據(jù)德布羅意假說，電子是應(yīng)該會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象。1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末設(shè)計(jì)與完成的戴維森-革末實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了德布羅意假說。