波和粒子_奇点天文奥秘

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波和粒子_宇宙时间奥秘
 
 
波-粒子双重性对显示光的波动本质的经典实验来说,是一个意想不到的周折。这个实验是杨(Thomas Young)在十九世纪初进行并分析的。他让从一个光源发出的光,投射到一个开有两条狭缝的不透明的屏上。
 
这两条狭缝就像一个二次光源,光穿过它们之后继续传播,最后投射到一个屏幕上,形成明显的明暗相间的带状条纹,这是一种典型的干涉作用。这个实验是光的波动本质的一个很好说明:让一列并行的水波通过水中开有两条狭缝的屏障,也能够产生出类似的干涉图样。当水波从这对挨得很近的狭缝中通过后,有些地方的波相消,另一些地方的波相长,这就出现了动静相间的干涉条纹。
 
现在让我们想象,在杨做的实验中,如果我们只用一个光子,会产生什么样的结果。一个粒子的质量是集中在一个单独的点上的,而波是一种没有质量的实体,它弥散在一个有限的范围之内。这样,一个光子必然是只能穿过这两个狭缝之一。然而结果却是,如果我们把单独的光子一个接一个地向这两条狭缝发射过去,并记下它们到达屏幕的位置,最后我们会得到以前用一束光照射时那样的干涉图样。这样看起来,一个单独的光子,会由于它的波动性质而对两条狭缝都有感觉。
 
这种双重性质不仅仅是光才有——它含有更广泛的意义。这一点,是一个名叫德布罗意(Louis de Broglie)的法国年轻人顿然领悟到的。  
德布罗意出身于贵族家庭,他战时曾从事无线电方面的工作,这使得他的兴趣从中世纪教会历史转到物理学方面来。他主导法国物理学界的时间超过了一整代人(有人说这是件坏事)。他对于量子论的贡献是如此极端彻底,以致有人讽谕为“法国喜剧院”(法国资格最老的剧院,路易十四世创建于 1680 年——译者注)。德布罗意从光量子中认识到,正像光波可以表现为粒子一样,粒子也可以表现为波。为了使他这个直截了当的想法有一个坚实的基础,他提出了一个简单的数学关系,把一个运动物体的动量和与物体相应的波联系起来:这个“粒子”的波长反比于它的动量(即粒子质量和速度的乘积),这个比例常数再一次又是普朗克常数。这样,粒子的速度或者质量越大,它的德布罗意波长也就越短。
 
1923 年德布罗意首次把他的想法写成三篇短文,发表在《巴黎科学院学报》上。然后他着手写他的博士论文,该论文于 1924 年完成。论文审稿人之一是朗之万( Paul Langevin),他显然对这一想法感到十分震惊。他把这篇论文的一份考贝寄给了爱因斯坦,爱因斯坦马上认识到其中的意义,他在回信中说,德布罗意“已经把大面纱的一角揭开”。无疑地,爱因斯坦的这一评价对论文顺利通过口试起了影响。但是德布罗意并不希望仰仗爱因斯坦的权威——他向自己问道,如何才能够使这一想法得到验证。1927 年,德布罗意的想法终于毫不含糊地被实验证实,其中一个是戴维森(Clinton Davisson)和盖尔末(LesterGermer)在美国贝尔电话实验室做的,另一个是由瑞德( AlexanderReid)在汤姆孙(George Thomson)的指导下,在苏格兰的阿伯丁大学完成的。非常有趣的是,以前 J·J·汤姆孙曾因为证明电子是粒子而获得诺贝尔奖,而此时他的儿子却因为证明电子是波而获得同样的奖。
 
物质的粒子和波的双重性质具有奇异的结果。让我们想象一个“量子台球”游戏。球的波动性会产生许多令人惊异的后果。无论击球人瞄得多么准——例如,他瞄准一个在球袋边上的红色球——这个球却总有机会落到球台另一端的球袋(因为作为波,这个红球应该扩展到整个桌面)。由于一种叫做“隧道效应”的量子现象,也有可能直接越过另一个球,这时被击的球可以径直地穿过另一个位于中途的球。这同样是由于球的类波性质,使它可以扩展而跨越障碍物。
 
如果德布罗意的想法是对的,那么为什么我们在平常的台球游戏中,看不到这样的类波作用和其它的量子现象呢?这个原因可以从德布罗意关系中找到。德布罗意关系表明,粒子的波动性决定于它们的质量——质量越大则相应的波长越小。对原子而言,这一波长相对于它们的“尺度”来说很大,而对于通常的(宏观的)台球而言,这一波长就小到了微乎其微。只有把台球游戏缩小到微观尺度,我们才能够观察到这些奇特的量子效应。  
 

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美丽的土星

2020-10-11 21:25:35

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那里有生命吗

2020-10-11 21:25:37

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