什么是光的波粒二重性

【专家解说】：德国科学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。但是，根据麦克斯韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，而且波也不可能处于静止状态，也就是说，宇宙中不可能存在光在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探索和研究，1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，引起了物理学基本概念的重大变革，开创了物理学的新世纪；提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性，用分子运动论解决布朗运动问题；发现了质能之间的相当性，在理论上为原子能的释放和应用开辟道路。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美地结合在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。 1913年,丹麦物理学家玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）以《论原子构造和分子构造》为题发表了长篇论文,为20世纪原子物理学开辟了道路。他采用了当时已有的量子概念,提出了几条基本的“公设”,提出了至今仍很重要的原子定态、量子跃迁等概念，有力地冲击了经典理论,推动了量子力学的形成。玻尔认为,按照经典理论来描述的周期性体系的运动和该体系的实际量子运动之间存在着一定的对应关系，这一对应原理成为从经典理论通向量子理论的桥梁。玻尔对各种元素的光谱和X射线谱、光谱线的(正常)塞曼效应和斯塔克效应、原子中电子的分组和元素周期表,甚至还有分子的形成,都提出了相对合理的理论诠释。 1916年美国物理学家罗伯特·密立根(Robert Andrews kan,1868～1953)发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。 美国物理学家康普顿（Arthur Holly Compton，1892～1962）1921年在实验中证明了X射线的粒子性。1923年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应，这是近代物理学的一大发现。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性。 1924年，奥地利物理学家泡利(Wolfgang Ernst Pauli，1900～1958)发表了“不相容原理”：原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态．这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。 法国物理学家德布罗意(Louis Victor due de Broglie, 1892-1987)由光的波动和粒子两重性得到启发，他大胆地把这两重性推广到物质客体上去。他在1923年9～10月间，连续发表三篇短文：《辐射——波和量子》、《光学——光量子、衍射和干涉》、《物理学——量子、气体动理论及费马原理》。1924年，在他的博士论文《量子论研究》中，他全面论述了物质波理论，这一理论以后为薛定愕接受而导致了波动力学的建立。德布罗意把爱因斯坦关于光的波粒二象性的思想加以扩展。他认为实物粒子如电子也具有物质周期过程的频率，伴随物体的运动也有由相位来定义的相波即德布罗意波，后来薛定愕解释波函数的物理意义时称为“物质波”。德布罗意在并无实验证据的条件下提出的新理论在物理学界掀起了轩然大波。 1925年，德国物理学家海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）鉴于玻尔原子模型所存在的问题，抛弃了所有的原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。1927年，他阐述了著名的不确定关系，即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量，成为量子力学的一个基本原理。 1926年，奥地利理论物理学家薛定愕（Erwin Schrodinger，1887～1961）提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程——薛定愕方程，给出了量子论的另一个数学描述——波动力学。后来，物理学家把二者将矩阵力学与波动力学统一起来，统称量子力学。 1927年，美国贝尔实验室的戴维森（Clinton Joseph Davisson，1881～1958）、革未（Lester Halbert Germer，1896～1971）及英国的汤姆逊（George Paget Thomson，1892～1975）通过电子衍射实验，都证实了电子确实具有波动性。至此，德布罗意的理论作为大胆假设而成功的例子获得了普遍的赞赏。以后，人们通过实验又观察到原子、分子……等微观粒子都具有波动性。实验证明了物质具有波粒二象性，不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的，而且为物质波理论奠定了坚实基础。 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，它是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学，是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。我们的现代文明，从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。