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如何理解量子力学?(10)波粒二象性

已有 1557 次阅读 2025-11-1 12:55 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

         从前边的博文中,我们看到,实验的结果,揭示了一些和经典世界完全不同的东西,特别是位置算符和动量算符之间的确定性的不对易关系,意味着位置观测结果的可能值的概率,和动量观测结果的可能值的概率,存在确定性的结果。不确定性是量子世界的本质性特征。

   从1900年前后开始,物理学家开始意识到,存在一个不同于宏观世界的微观世界,遵循着和经典定律不一样的物理定律。这是物理学的黄金时代,就好像哥伦布发现了美洲新大陆。

   到了1925年,量子力学,测量微观世界的结果的基本规律就被发现了,这是很不可思议的。这个速度有些太快了。这里边很重要的一个概念,就是波粒二象性,彻底改变了研究者的信念。

   麦克斯韦提出了描述电磁现象的基本方程,预言光也是一种电磁波,并且后来被赫兹用实验证实,这导致电磁波是一种波的观念,深入人心。但是1900年,普朗克引入能量量子化条件得到黑体辐射谱公式,1905年爱因斯坦利用这个量子化条件解释光电效应,随后1906年爱因斯坦利用这个能量量子化条件解释物质比热的低能行为,都揭示出电磁波本身或这微观世界的波动性似乎具有某种粒子性。

   这样一来,波粒二象性的概念就出现了。在开始的时候,似乎只有爱因斯坦对此深信不疑,其他的科学家几乎都不相信。

   这个与波动性伴随着的量子性的东西,就是能量是一份一份存在的,是个新东西。波动性,已经被研究者所熟悉。但是后来我们发现,不管是波动性,还是粒子性,这些类似经典的词语都是没有意义的。只是那个时候,对于理解微观世界几乎起到了决定性的作用。

   1913年,玻尔为了解释原子的稳定性,引入了定态的概念。到了1924年,这让德布罗意忽有所悟,认为原子外的电子,也具有波动性。这让人大吃一惊。在这里,波动性的概念,其实已经和过去完全不同了。

   波动性,在经典世界中,是介质的振动和传播的意思。在一开始,对于光的波动性的理解,也是如此,是以太的振动和传播。当爱因斯坦在1905年给出狭义相对论以后,这种观念就开始消失了。所以电子的波动性,如果也理解成是某个介质的振动,简直就是疯了。

   在那个时候,这个波动性,已经被看成是光子和电子自己的波动性。但是这个概念,几乎是无法理解的。

   这样的一些概念的转变,都是测量微观世界的实验结果所导致的。一些本体论的特征在微观世界的研究中,开始逐渐消融和瓦解。

   但是讨论波动的波动方程,依然是好使的。这促使薛定谔在1925年,寻找满足电子波动性的一个波动方程。测量微观世界的物理量,如果用算符来表示,就可以建立一个波动方程。而电子也就成为了一个波。

   这个波,用一个函数ψ(x)来描述,我们叫做波函数。这是量子力学的又一个假设。在量子力学的教材中,讨论量子力学假设的时候,往往这个被放到了第一位。就是微观世界的量子客体,用一个波函数来描述。



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