物理专业研究生探索量子力学中的波粒二象性研究生须知
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光的波粒二象性是哪本书?
高中的话可以看高中的物理课本。
大学的话可以看物理学院的《光学》、《量子力学》。
如果想在以上基础上更加深入了解的话,还要看《电动力学》。
然后就是研究生们学习的高级版本的《量子力学》、《光学》、《电动力学》。
何谓波粒二向性?
波粒二象性(wave-particle duality)是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在量子力学里,微观粒子有时会显示出波动性(这时粒子性较不显著),有时又会显示出粒子性(这时波动性较不显著),在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性,是微观粒子的基本属性之一。
从光的波粒二象性得出来了什么启示?
得出:
任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。量子力学认为自然界所有的粒子,如光子、电子或是原子,都能用一个微分方程,如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数,它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性,即,它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时,波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。这样,粒子性和波动性就统一在同一个解释中。
之所以在日常生活中观察不到物体的波动性,是因为他们的质量太大,导致特征波长比可观察的限度要小很多,因此可能发生波动性质的尺度在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之,对于基本粒子来说,它们的质量和尺度决定了它们的行为主要是由量子力学所描述的,因而与我们所习惯的图景相差甚远。
波粒二象性实验怎么做?
双缝实验
在这个实验中,科学家让一束电子穿过一个双缝,双缝后面放探测屏。同时,在双缝的入口处安防高清摄像头来记录电子的运动轨迹。然后,实验结果却发生了令人无法解释的现象。
当开启摄像头的情况下,科学家一个个的发射电子,探测屏上面显示的是平行的、和双缝所对应的亮纹。但是将摄像头关闭时,探测屏上面却显示了许多相互干涉的条纹。然后,继续讲摄像头开启关闭,依然是原来的结果。
后来,科学家利用光子、原子和分子来做实验,出现的也是同样的结果。人们不禁想到,难道这些粒子知道人类在观察他们吗?因此,表现出了不同的形态,当人观察的时候,是粒子形态,不观察的时候,是波的形态。既是粒子,也是波,这便是著名的波粒二象性。
唯物论认为,世界是客观存在的,物质决定意识,而这个实验却对哲学中的唯物论发起了挑战。
当然,有些人的脑洞也很大,我们的世界会不会是像黑客帝国中的一样,是计算机模拟出来的,而这个实验正好揭示了设计时的一个bug,是为了节省算力。就像在游戏中,只有屏幕上显示的,GPU才会计算,屏幕上不现实的,GPU就不会计算。
当然,我们对微观的量子世界的认识还少,才会有更多的谜团,我们相信,随着科学的发展,人们对于量子力学的研究一定会加深,这个谜团也有可能解开。
波粒二象性的实际应用?
经典力学里,研究对象总是被明确区分为“纯”粒子和“纯”波动。前者组成了我们常说的“物质”,后者的典型例子则是光波。波粒二象性解决了这个“纯”粒子和“纯”波动的困扰。它提供了一个理论框架,使得任何物质有时能够表现出粒子性质,有时又能够表现出波动性质。
量子力学认为自然界所有的粒子,如光子、电子或是原子,都能用一个微分方程,如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数,它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性,它们能够像波一样互相干涉。同时,波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的机率幅。这样,粒子性和波动性就统一在同一个解释中。