电子是粒子,电子也有波粒二象性?德布罗意:“万物皆波”!

阅客资讯

2021/03/22 19:37

说到波粒二象性,很多人首先会想到的或许就是光。光具有波粒二象性,光是电磁波,但也具有粒子特性,爱因斯坦的光电效应已经验证了这点,而爱因斯坦也因为发现了光电效应获得了诺贝尔物理学奖。

何为“光电效应”?简单讲,如果光仅仅是波,它就不可能把电子从金属表面撞击出来,只有光像离散的光子包,才可能从金属表面把电子撞出来,而光子包其实就是光的粒子性。

爱因斯坦发现的光电效应,初步确定了光的波粒二象性,让“光到底是粒子还是波”的争论暂时告一段落。

但是接下来更大的问题出现了:是否只有光拥有波粒二象性?微观粒子是否同样拥有这种特性呢?

物理学史上一个非常重要的实验彻底改变了人们对世界的认知,甚至让我们自认为真实的世界突然变得“模糊”起来!

这就是著名的电子双缝干涉实验。

电子是粒子,这是20世纪初科学界的普遍认知。但是电子双缝干涉实验彻底颠覆了当时的科学界传统认知。

实验大致是这样的。人类科技的不断发展,科学家已经拥有了单独操控单个电子的能力,于是他们就做了这样的实验:让电子一个一个地通过狭窄的双缝,按照传统思维,电子是粒子,只能通过其中一条缝隙,而且在后面的屏幕上应该只会留下一条明亮条纹。

但结果出乎了所有人的意料,屏幕上出现了多条干涉条纹,这意味着什么?意味着电子表现出了波的特性,只有波动性才会出现这样的干涉条纹。

更为奇怪的是,科学家是一个一个发射电子的,单个电子怎么能同时穿过两条缝然后自己与自己发生干涉呢?

于是,科学家就想看看单个电子是如何通过双缝的,以及通过双缝后在后面的屏幕上会呈现怎样的状态。

接下来就发生了让人“毛骨悚然”的事情了。当科学家用仪器观测电子的行为时,屏幕上的多条干涉条纹神奇地消失了,电子“乖乖地”表现出离子性。而一旦科学家不再观测电子的行为,干涉条纹又出现了,电子又表现为波动性。

这样的实验结果震惊了当时的科学界,太违反人们的直觉了,但实验结果摆在那里,是如此的真实,如此的震撼!

到底该如何解释?

著名物理学家德布罗意在1924年提出了“物质波”的概念。何为“物质波”?简单说,万物都有波动性,都有一定的波长。这看似荒谬的“物质波”理论其实一点也不荒谬。

德布罗意给出了波长公式:λ=h/ p,公式中h是普朗克常数,非常小的数值,只有6.626X10^(-34) ,p是物质的动量。

通过公式可以看出,物体的动量越大(或者说质量越大),能量越大,德布罗意波的波长就越小。这也是为什么我们所在的宏观世界实际上不可能感知到物体的波动性,因为宏观世界的物体质量都太大了(当然是相对于微观世界)。

举个例子,一个质量只有0.1千克的小球以1米每秒的速度运动,那么这个小球的德布罗意波只有6.6*10^(-33)m,如此微小的波长不要说人眼去感知了,人类最精密的仪器也测量不出来。所以我们在宏观世界感受到的只有物体的粒子性。

再回到上面的电子双缝干涉实验,这个实验并不是随便就可以做的,有一个重要前提:只有当微观粒子的波长与狭缝的宽度大致相当时,微观粒子才会表现出明显的波动性。

如果你想用宏观世界的物体做类似“电子双缝干涉”这样的实验(比如说上面所说的质量为0.1千克的小球),意味着你需要把狭缝的宽度控制在6.6*10^(-33)m左右,目前人类技术远远达不到这种精度。

但是电子的波长相对来说就很大了,这是因为电子质量很小速度很快,人类科技可以设计出让电子表现出波动性的狭缝。

德布罗意的“物质波”概念彻底改变了人们对世界的传统认知。本质上来讲,你我,甚至整个宇宙都具有“波粒二象性”,你我都有波动性,只不过这种波动性太微乎其微了,现实中可以忽略不计。

但纯理论上分析,只要有波动性,就拥有波的一切特性,这意味着万事万物的位置都不是绝对确定的,一块在地面上静止不动的石头看似静止的,其实石头的位置是不确定的,因为它有波动性。

你我的位置也是不完全确定的。比如你躺在床上进入梦乡,一动不动,但你可能“无处不在”,甚至可能在月球上或其他任何地方,你的位置只能用概率来描述,只不过你躺在床上的概率最高,当然概率高到让其他概率可以忽略不计!

从这点来讲,爱因斯坦反击波尔时所说的“不看月亮时,月亮就不存在吗?”,答案可能是这样的:不看月亮时,月亮一定存在,但有可能真的不在那里(当然是纯理论分析),可能在别的任何地方!因为月亮也具有波动性,我们不能完全确定月亮的位置。当然月亮的波动性就更低了。

宇宙为何拥有如此奇妙的现象?万物的这种“波动性”似乎让世界更加混乱,甚至失去了意义,但正如德格拉斯·泰森所说:宇宙没有义务对我们有意义!

或许宇宙本身就无所谓“意义”,它就是这样存在着,总是让人捉摸不透!

(0)

相关推荐

  • 为什么“薛定谔的猫”这个实验在现实中永远无法实现

    "薛定谔的猫"是量子力学里一个非常著名的实验,这个实验的最初目的是为了论证量子力学的不可靠性,但是最后却叛变,成为了证明量子力学正确性的重要实验.但是"薛定谔的猫&quo ...

  • (25)电子如何知道狭缝是开还是合,怎样同时通过两条狭缝?

    上节课我们说了,量子力学的正统解释,哥本哈根诠释,它否定了现实的决定性.因果性和独立于观测者的客观现实性. 玻尔还为科学的目的定了一个基调,说,科学的目的不是,也不能解释自然的本质,而是关于自然,科学 ...

  • 量子力学4:德布罗意的明悟

    物理学是最革命的科学.别的学科一般都是渐进式的进步,偶尔有出乎意料的思想突破也都比较温和.而在量子力学的发展史中,我们看到的是一些不可思议的.甚至是颠倒乾坤的新思想,让人从感情上都接受不了.有些最厉害 ...

  • 电子是粒子也是波?本质上来讲万物皆波,包括你和我

    说到波粒二象性,很多人首先会想到的或许就是光.光具有波粒二象性,光是电磁波,但也具有粒子特性,爱因斯坦的光电效应已经验证了这点,而爱因斯坦也因为发现了光电效应获得了诺贝尔物理学奖. 何为"光 ...

  • 中国花360亿建造大型对撞机 到底值不值|电子|高能物理|粒子

    关注风云之声 提升思维层次9小时前 [王贻芳 中国科学院高能物理研究所所长院士] 以下为王贻芳演讲实录: 我是王贻芳,来自中科院高能物理研究所.我研究的领域叫粒子物理,也叫高能物理. 过去讲故事,开头 ...

  • 《ACS AMI》:纳米粒子电子传输层在空气暴露对QLED效率的影响

    来自波兰弗罗茨瓦夫理工大学等单位的研究人员报道了空气暴露对ZnMgO纳米颗粒(NPs)的光学和电学性质的影响,这些纳米颗粒通常用作Cd基量子点发光二极管(QLED)中的电子传输层.分析了空气组分对Zn ...

  • 电子是粒子还是波?

    法国理论物理学家德布罗意(Louis Victor·Duc de Broglie,1892年8月15日-1987年3月19日)是量子力学的奠基人之一,他推测电子也具有波动性,并预言电子在通过一个小孔或 ...

  • 电子工程师常见电子电路,电源电路值得学习推荐!!!

    如下左图是有源电磁式蜂鸣器的驱动电路,右图是有源压电式蜂鸣器的驱动电路.请问为什么左图需要二极管而右图不需要,左图二极管的作用是什么? 因为电磁式蜂鸣器内部有线圈,在三极管关断的瞬间,线圈会产生一个反 ...

  • 热点前瞻:物联网+电子竞技+消费电子

    一.热点前瞻 热点二:物联网 逻辑概述:在2020华为全联接大会上,华为全面阐述全场景智能联接解决方案,从技术.网络.行业三个层面打造泛在千兆.确定性体验和超自动化的智能联接,共建行业智能体. 相关个 ...

  • 美国禁售电子烟,电子烟市场该如何“破冰”?

    如果电子烟最终如预言一样进行大洗牌成为风口,那么谁又会成为抓住风口成为行业领军者?是悦刻,是老罗的小野,还是有可能还未问世?或是电子烟就如共享单车一样被政策洗牌后,就此成为商业历史. 作者 | Mar ...

  • 怎样验证电子合同和电子合同章的有效性?

    电子签名法>第13.14条规定:电子签名同时符合下列条件的,视为可靠的电子签名: 1.电子签名制作数据用于电子签名时,属于电子签名人专有. 2.签署时电子签名制作数据仅由电子签名人控制.网上签合 ...

  • 电子鞭炮的电子鞭炮

    鞭炮是吉祥的象征,每逢佳节.喜庆之日炮竹声震耳欲聋,彩色火花满天飞舞,给人以欢欣与鼓舞.然而,鞭炮不仅会污染环境,也会造成各种伤残及火灾事故,给国家和人民带来了经济损失.为了解决传统鞭炮的缺点,而又能 ...