【《波粒二象性的发展探究7300字（论文）》】

I波粒二象性的发展研究目录 12.波粒二象性 12.2发展史 22.3理论与实验验证 52.3.117世纪：惠更斯、牛顿 52.3.219世纪：杨、费涅尔、麦克斯韦、赫兹 62.3.3普朗克黑体辐射定律 62.3.4爱因斯坦与光子 62.3.5德布罗意与物质波 72.3.6海森堡不确定性原理 72.3.7大尺寸物体的波动性 72.4波粒二象性存在问题 72.4.1概率波 82.4.2薛定谔的猫 93波粒二象性应用 94.总结 参考文献 1在物理学界则有一个名言：上帝说要有光，于是就有人们对光的本质和产生进行了无数的猜想，从神之化身到物理定义。光的探索光到底是什么东西，是波还是粒子呢?在这无休止的争论中，物理学爆发波粒二象性是一个大胆而有趣的理论。随着人们对逐渐成为了量子力学的主导概念，对量子力学的研究与发展有着重大的影研究探讨波粒二象性，对我们重新认识物质世界，推动量子要意义。2.1.定义性较不显著显示出粒子性。微粒在不同情况下表现出哥本哈根诠释来解释。互补原理阐明，量子现象可以用不同种共轭方法来观察，波粒二象性是一个理论框架，为的是解决了经典力是“纯”波动(光波)还是“纯”粒子(物资)的问题。该理论提出任何物质有时能够表现出波动性质或粒子性质。量子力学(薛定谔方程)来描述自然界所有的粒子(如光子、电子或是原子)。这个方程的解描述了粒子的状态，叫做为波函数。它们能具有但这不意味着现实生活中可以观测到物体的波动性。2在现实生活常识认知范围之外。物体质量太大反而德布罗意波长可观察的极限尺寸小。反之，对于基本粒子来说，它们的质量和尺寸局限于量子力学所描述的范围之内，因而与我们所习惯的图景相差甚远。[2]2.2发展史1637年，笛卡尔在《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两个假说：一、光是类似于微粒的一种物质；二、光是一种以“以太”为媒质的压力。这是最早关于波动说和粒子说的假说。笛卡尔是光的波粒二象性理论的鼻祖。1655年，光的衍射现象被意大利波仑亚大学的数学教授格里马第首先发现。格里马第最早的倡导者光的波动学说，认为光可能是一种与水波类似的流体。他的理论被英国物理学家胡克、英国科学家波义耳积极响应。1660年，法国数学家皮埃尔●伽森荻认为光由大量坚硬粒子组成并出版专1666年，荷兰天文学家、物理学家和数学家惠更斯提出光是一种靠物质载体(“以太”)来传播的纵向机械波，引起媒质振动的波源是波面上的各点本身。惠更斯的波动学说是比较完整的理论，他解释了双折射现象和光的衍射，进行了著名的“牛顿环”实验，证明了光的反射和折射定律。1672年，英国物理学家牛顿在论文《关于光和色的新理论》中，以微粒说的观点，对光的颜色理论进行了阐述。牛顿的粒子说与胡克之间的波动说之间的激烈争论由此展开。1675年，牛顿提出光是从光源发并在均匀媒质中以一定的速度传播出的一种物质微粒。1704年，牛顿在他出版的《光学》中推广微粒说，并对波动说提出质疑。1882年，德国物理学家施维尔德用光波学说成功的解释了光通过光栅后的1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷进行了“以太漂流”实验。他们否定了以太的存在。波动说由优势变为劣势，备受质疑。1801年，英国物理学家托马斯●杨通过著名的杨氏双缝干涉实验证明了光是一种波。杨氏《哲学会刊》论文中提出光的干涉定律光的和干涉的概念，并详细介绍了“牛顿环”实验和双缝干涉实验。31809年，马吕斯提出光的偏振现象的经验定律通过光的偏振现象否定了惠更斯光是一种纵波的理论。波动说再次面临挑战。1817年，托马斯●杨通过光是一种横波的假说比较成功的对光的偏振现象进行了解释。1819年，菲涅耳进行“两个平面镜所产生相干光源干涉”实验并与阿拉戈共同创立光波横向传播理论。光的波动说再次获得有力证明。1873年，麦克斯韦成功推导出麦克斯韦方程组，提出光电磁理论。同时他创立电磁波的传输模型，在《电磁学通论》中预言了电磁波的存在并阐明了它1888年，海因里希●赫兹通过实验证实麦克斯韦的猜测从这时。光波动说1901年，马克斯●普朗克发表了的关于黑体在平衡状况的发射光波频谱的预测的研究报告。他提出著名的普朗克关系式E=hv(v是频率，h是普朗克常数(6.626x10-34Js),E是能量)。普朗克还推导出黑体能量分布定律，称为普朗克黑体辐射定律。[3]1905年3月，阿尔伯特●爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个推测性观点》论文在德国《物理年报》上发表。他提出光子假设，首次揭示微观客体粒子性和波动性的统一(波粒二象性)。论述了光表现为波动是对于时间的平均值；表现为粒子性是对于时间的瞬间值。1916年，爱因斯坦光电效应的理论被美国物理学者罗伯特●密立根证实。物理界迫承认光具有粒子性质和波动性质。3]1919年，利用日食时机，英国科学家爱丁顿的两支考察队观测到太阳附近的光的偏折角约为1.7秒。再次证明了光的粒子说。1921年，诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦。表彰其在“光的波粒二象性”这一方面获得的成就。1921年，X射线的粒子性被康普顿试验证明。1924年，路易●德布罗意称类波动属性是所有物质都拥的，提出德布罗意假说。他提λ=h/p(λ为波长和p为动量)。41927年，氦和氢原子、氢分子射线被证明了具有波的性质。“光具有波粒二象性”被认可。光的波动说与微粒说之争姆孙用电子束照射穿过薄金属片观察到干涉样式。雷斯特维森在贝尔实验室通过用低速电子入射于镍晶体取得电子1961年，蒂宾根大学的克劳斯●约恩松通过电子来进行双缝干涉实验证明1969年，运用在原子内部束缚电子的能级跃迁机制，威利斯●兰姆与马兰●斯考立(MarlanScully)证明了分析光电效应完全不需用光子的概念而需要波动1974年，米兰大学的梅里教授在双缝入口安装高精度的监视器，通过电子1999年，维也纳大学研究团队实时计录到C60富勒烯(相对原子质量为720u,德布罗意波长为2.5pm,分子的直径为1nm,约400倍大)的衍射。2003年，四苯基卟啉(tetraphenylporphyrin)的波动性被维也纳研究团队2009年，伊夫●库德(YvesCouder)表示波粒二象性可以通过宏观油滴弹跳于振动表面进行模拟。周期性波动会在毫米尺寸的油滴会引起类量子现象(如双缝干涉、不可预料的隧穿、轨道量子化、塞曼效应等等)。3]2010年，亚诺斯●伯古(JánosBergou)和物理学家马提亚斯●雅各布2011年，质量为6910u的分子干涉现象实验成功进行。2012年，维也纳大学研究团队实时计录到酞菁分子(58个原子组成)和比它更重的衍生物(114个原子组成)干涉图样。2013年，维也纳大学的物理学家们完成了迄今5由大约5000个质子、5000个中子和5000个电子构成。实验证实，干涉现象也可2015年，光同时表现波粒二象性的照片被瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出。他们通过射入奈米线，用光脉冲的两个反向分量形成驻波，然后将一束电子注入附近，遭遇光驻波的电子束被减速或加速。[516对这些速度改变区域的记录，为研究者将驻波的外观显现出来，呈现出驻波体光的波动性。[516实验同时显现光的粒子性和波动性的。当电子进入驻波，它们撞击光子并改变了速度。[5][6速度上的变化表明光子和电子之间能量包(量子)的交换。[5][61这种速度上的变化以及它所暗示的能量交换表明驻波中存在的粒子行为。[5I[6]2021年2月9日瑞士洛桑联邦理工学院使用IBMQ量子计算机首次验证了量子纠缠和波粒二象性之间的紧密关系，表明前者在量子系统中控制后者。[7该研究成果于期刊《物理评论A》(PhysicalReviewsA)发表。研究人员称表示"可以间接证实通过控制这对量子比特的纠缠度，每个量子比特的对偶可以完全较为完全的最早发展成型的光理论克里斯蒂安●惠更斯出的一种光波动说。通过这理论，解释了波前如何因光波相互干涉而形成，认为产生球面次波的点波源是在波前的每一点，这些次波的包络被看作而以后任何时刻的波前。这个原理，推导出折射定律与反射定律，并定性解释了波的球面传播与直线传播。但是并不能解释衍射效应，即光波遇到狭缝、孔径或边缘时，会偏离直线传播。提出次波不会朝后只会向前传播的假定。没有解释这种物理行为为什么会发生。随后，牛顿合理解释光的反射性质和直线移动。他认为非常奥妙的微粒组成光，遵守运动定律，提出了光微粒说。但是，牛顿并不能让人满意的解释光的衍射与折射性质。光的波粒性之争从未间断。[3但由于牛顿影响力较大，惠更斯的理论逐渐被人们忽略。光的波动理论直到衍射现象被发现才重新得到承认。[3]6动性质。奥古斯丁●菲涅耳在惠更斯原理的基础上假定次波的波幅与方向有关，光学和电磁学联结成统一理论。1888年，海因里希●赫兹证实麦克斯韦的猜测。1901年，马克斯●普朗克发表了的关于黑体在平衡状况的发射光波频谱的预测的研究报告。他提出著名的普朗克关系式E=hv(v是频率，h是普朗克常数(6.626×10-34Js),E是能量)。31普朗克还推导出黑体能量分布定律，照射于金属表面的光束会使其发射出电子(光电子)的效应叫做光电效应 光子。产生光电效应需要光频率超过某特定频率(底限频率)。光电子的能量与辐照度无关而只与频率有关。而他提出了“hv=Kmax+W(W是逸出功，Kmax是电子的最大逃逸动能)。1916年，爱因斯坦光电效应的理论被美国物理学者罗伯特●密立根通过实1969年，运用在原子内部束缚电子的能级跃迁机制，威利斯●兰姆与马兰●斯考立(MarlanScully)证明了分析光电效应完全不71924年，路易●德布罗意称类波动属性是所有物质都拥的，提出德布罗意假说。他提λ=h/p(λ为波长和p为动量)。3]1927年，阿伯丁大学乔治●汤姆孙用电子束照射穿过薄金属片观察到干涉样式。雷斯特●革末和克林顿●戴维森在贝尔实验室通过用低速电子入射于镍晶体取得电子的衍射图样。证实电子的量子行为可以用德布罗意的方程来1927年，维尔纳●海森堡利用德布罗意假说为其论述，进行著名的海森堡(△为标准差，粒子的位置为x、动量为p)。13但是实验测量造成的搅扰不确定是在测量动作之前就已存在，粒子内秉的性质，存在于粒子本身，只能解释提出的哥本哈根诠释倚赖。3]物理学者界确立光子与电子具有波动性质之后，中子、质子也通过实验得到相似的结论。随着研究进行发现，原子、分子甚至更大尺寸、更复质量与长度之间在物理学里存在有两种基本当粒子的史瓦西半径大约与康普顿波长相等时，粒子的质量大相等。量子引力强烈地影响粒子的运动行为。所有已知基本粒子的质量楚我们不很清楚普朗克质量小于质量的物体是否波粒二象性指出是所有的粒子即有波的特性还有独属8观事两者都必须运用，只是运用波或者粒子都是不完全得。人类认识史上最令人困惑的问题之一就是微观粒子和光的波粒二象性统一的问题，至今不能说已经完全解决。在实验中我们观测波粒二象性，发现粒子并不是按照确定轨迹运行的，对于这种不知道什么时候往哪里走的情况，科学家并不能精准的研究和预测，只能大致的测量方向得出一个概率。这个违背了传统物理学的因果律(物质运动会呈现一定的规律，可以通过掌握这些规律掌握最终结果)。在研究光的波粒二象性中，我们会遇到让人匪夷所思的现象。单个光子同样发生了干涉。现实理论中我们理解，两个狭缝不可能同时被一个光子通过。比较著名的电子双缝干涉实验、量子擦除试验、双缝干涉3D版、延时量子擦除试验，它都让我们对物理“因果律”产生了怀疑。科学家为了了解这一现象设计了一个实验。用高敏的摄像机拍摄到光子在运动中的情况。实验结果显示，当我们拍摄时两条平行线出现在背景墙上，而移除摄像机后条纹重新出现。结果说明，粒子在我们试图去观察基本粒子的时候，我们所能理解的形态恢复了。而我们不去观察它的时候，两条狭缝同时通过了单个光子。我们不去观察它的时候，单个基本粒子存在与不存在两种状态同时1926年M.玻恩为了较好地解决这个问题，提出了出概率波解释。概率波解释，描述粒子波动性所用的波函数中(x、y、z、t)不是什么具体的物质波而是概率波；t时刻在x、y、z处出现的粒子的概率密度用波函数的绝对值的平方(Iψ|2=ψ*ψ,ψ*表示ψ的共轭波函数)表示。在电子双孔干涉实验中有|ψ|2=ψ1+ψ2|2=|ψ1|2+1ψ2|2+ψ1*ψ2+ψ1ψ2*(ψ1*ψ2+ψ1ψ2*项体现的是干涉效应)。粒子在强度|ψ12大的地方，出现的概率大粒子数多。粒子在强度|ψ12小的地方，出现的概率小粒子数少。在多次重复实验实验中，不管过程中粒子流强度如何，都得到相同的的干涉条纹结果。多次重复粒子流很弱实验的干涉效应说明，波动性是单个微观粒子所具有的，而不是多数粒子聚集的性质。他们的不可分割性与同时起作用性，使得谈论微观粒子的运动轨道变得没有意义。9这使人产生它明白我们在观测察它的感觉。这个现象原理至今无法解释。但现实中，现代科技证实并有了实际应用(如量子计算机)。很多科学家提出了假设，也有许多人在这个现象面前产生绝望，甚至此自杀。我们的整个世界观都被它颠覆了，薛定谔的猫就此诞生了。薛定谔的猫(英文名称：Schrödinger'sCat)是奥地利著名物理学家薛定谔(ErwinSchrödinger,1887年8月12日1961年1月4日)提出的一个思想实验。在密闭容器里装入有少量氰化物和镭，将一只猫关进去。镭存在一定几率衰变。当镭发生衰变，机关被触发，装有氰化物的瓶子被打碎，猫会死去；如果未发生衰变，猫则继续存活。理论上，放射性的镭没有衰变和衰变随机两种状态，“薛定谔猫”指的就是这只即死又活的猫。但是，不可能存在既死又活的猫，薛定谔不喜欢波的统计解释和波粒二象性的二元解释。20世纪20年代中期埃尔温●薛定谔创立了薛定谔现六光子薛定谔猫态方程：薛定谔想通过提出“薛定谔的猫”这个实验构想，把微观的量子行为(波粒二象性叠加)映射拓展到宏观。量子力学的波粒二象性认为，在宏观中除了一些比较固定的事情外，很多事物(比如暗物质)很大可能都是随机偶然而都是没有规律的。薛定谔的猫的真谛一—波粒二象性的叠加还是表象与本相的不同。3波粒二象性应用尽管波粒二象性的理论研究仍在不断发展，但现实生活中，已经出现了实际应用波粒二象性一些的科技：电子显微镜利用波粒二象性来显示样品的结构。电子的波长很短，比可见光的波长还短100000倍，可以用来观察更小的样品。电子显微镜的分辨率(约0.05奈米)远优于光学显微镜的分辨率(约200奈米)。中子与其他微观粒子一样，具有波粒二象性。[11中子衍射技术是研究晶体学的方法，用来确定某个材料的原子结构或磁性结构。[12]科学的探索和研究是永无止境的，波粒二象性带来了量子力学的革新，是物理学发展史上的一个里程碑。这一项理论的提出具体深刻的发展意义。虽然该理论还存在着许多问题，不够完善。但是任何物理学理论都是在不断假设、尝试与验证中发展起来的。随着新研究