波粒二象性的發展簡史

2016/11/3 15:13:52

在十九世紀末，原子理論逐漸盛行，根據原子理論的看法，物質都是由微小的粒子--原子構成。比如原本被認為是一種流體的電，由湯普森的陰極射線實驗證明是由被稱為電子的粒子所組成。因此，人們認為大多數的物質是由粒子所組成。而與此同時，波被認為是物質的另一種存在方式。波動理論已經被相當深入地研究，包括干涉和衍射等現象。由于光在托馬斯·楊的雙縫干涉實驗中，以及夫瑯和費衍射中所展現的特性，明顯地說明它是一種波動。

不過在二十世紀來臨之時，這個觀點面臨了一些挑戰。1905年由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應展示了光粒子性的一面。隨后，電子衍射被預言和證實了。這又展現了原來被認為是粒子的電子波動性的一面。

這個波與粒子的困擾終于在二十世紀初由量子力學的建立所解決，即所謂波粒二象性。它提供了一個理論框架，使得任何物質在一定的環境下都能夠表現出這兩種性質。量子力學認為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個微分方程，如薛定諤方程來描述。這個方程的解即為波函數，它描述了粒子的狀態。波函數具有疊加性，即，它們能夠像波一樣互相干涉和衍射。同時，波函數也被解釋為描述粒子出現在特定位置的幾率幅。這樣，粒子性和波動性就統一在同一個解釋中。

之所以在日常生活中觀察不到物體的波動性，是因為他們的質量太大，導致特征波長比可觀察的限度要小很多，因此可能發生波動性質的尺度在日常生活經驗范圍之外。這也是為什么經典力學能夠令人滿意地解釋"自然現象"。反之，對于基本粒子來說，它們的質量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學所描述的，因而與我們所習慣的圖景相差甚遠。

1800年，托馬斯·楊發表了《在聲和光方面的實驗與問題》的論文，認為光與聲都是波，光是以太介質中傳播的縱振動，不同顏色的光與不同頻率的聲音是相類似的。他在分析了水波的疊加現象之后說，在聲波疊加的情況下，可以產生的加強和減弱，出現復合聲調和拍頻。尤其重要的是，他提出了"干涉"的概念。

1801年，他在英國皇家學會上宣讀了關于薄膜色的論文。論文進一步擴充和發展了惠更斯的波動說，明確地提出了光具有頻率和波長，完善了光波的概念。他比較圓滿地解釋了牛頓環的干涉現象，認為"當有不同起源的兩個振動運動或者完全相同，或者在方向很接近時，那么它們的共同作用等于它們每一個振動單獨所發生的作用之和。"這在實際上已經提出了光的相干條件及干涉原理。

這一年，他在發表于《哲學會報》上的論文中，全面地闡述了干涉原理:"同一束光的兩不同部分以不同的路徑，要么完全一樣地、要么在方向上十分接近地進入眼睛，在光線的路程差是某個長度的整數倍的地方，光就被加強，而在干涉區域中間狀態，光將最強;對于不同顏色的光束來說，這個長度是不同的。"

1802年，托馬斯·楊在英國皇家學會講演時，引用自己所做的雙孔(雙縫)干涉實驗。他說:"為使這兩部分
雙縫實驗
雙縫實驗光在屏幕上引起的效果疊加起來，需要使來自同一光源、經過不同路徑的光到達同一區域，而不使其相離散，如有離散，也能根據回折、反射或折射把光從一方或從兩方重合起來，將它們的效果疊加。但是，最簡單的辦法是將平行光通過兩個相距很近的針孔。針孔作為新的光源，從那里發出了球面光波，照射到屏幕上，光的暗影對稱地向兩側散開。然而，屏幕與小孔的距離越遠，從小孔射來的光就越按相同的角度延伸與擴張。同時，小孔間的距離越近，從它們射出的光就越按比例擴張，這兩部分光疊合后，在屏幕上正對兩小孔連線的中心處最明亮。兩側部分，光從兩個小孔到達各點有一定的路程差，若路程差是光波波長的1倍、2倍、3倍……，路程差是光波波長1/2，3/2，5/2倍則屏幕上的這些地方為亮區，并且相鄰的亮區間的距離相等。另一方 的地方。"這就是著名的楊氏雙孔雙縫實驗。

托馬斯·楊用紅光照射雙孔，觀察通過雙孔后的光在屏幕上形成的光帶。他遮住一個針孔時，屏上只有一個紅的光強均勻的光點;當兩個孔均不遮掩時，屏上兩個光點重合區出現了紅黑交替的光帶，紅帶相當明亮，其寬度相等，同時，各黑帶的寬度也相等，并且等于紅帶的寬度。

根據各種實驗比較，組成極端紅光的波長，在空氣中應為l/36000英寸，極端紫光應為1/60000英寸，準確測得的可見光的波長。在光學發展史中是具有劃時代意義的。

托馬斯·楊還將干涉原理應用于解釋衍射現象。1803年11月24日，他在講演中提到了光的干涉的一般法則的實驗驗證。對隨著影子出現的有色邊緣進行若干次實驗，便發現關于光的兩部分的一般法則，有色邊緣是根據兩部分光的干涉形成的。

第一個實驗將木板套窗打開一個孔，在上面糊上一張厚紙，在厚紙上用針尖鉆個孔，為了觀察方便起見，在木板套窗外的一個適當位置放一個小鏡子，從那里反射的太陽光按水平方向射到對面的墻壁上，并且將1/30英寸細長紙片插入太陽光中觀察。映在墻壁上或放在各種不同距離上的其它厚紙的影子，除了陰影的兩側邊緣之外，那一影子的自身也同樣被平行的邊緣所分割，其邊緣非常細，它的數值隨觀察影子的距離而異，影子的中心部分總是呈白色。這些邊緣是通過細紙片的每個側面的光的兩部分合成的結果，并且與其說是折射不如說是衍射。

第二個實驗是有直角的交接處的物體形成影子的時候，在通常的外部邊緣上，可以看到增加兩三種顏色的變化。這些，從角的平分線開始向兩側排列，向著角平分線以凸狀彎曲著。并且離角平分線越遠越細。這些邊緣也是在物體兩側對影子方向直接彎曲的光疊加的結果。

托馬斯·楊的實驗一是細竿衍射，實驗二是角衍射。1883年當古伊與1885年維恩在光以大角度斜射時，直接觀察到了邊界波;托馬斯·楊關于衍射中邊界波的觀念得到了證實。

托馬斯·楊對光的本性又作了進一步的爭辯，他說:"固執于牛頓的光的理論或現代光學專家的不太普遍的假說的人們，最好是對任何事物都要從他的自身的原理出發，提出實驗的說明。并且，如果他的這種努力失敗的話，他應該承認這些事實，至少應該停止目的在于反對這些事實及其所遵循的理論體系而發表的演講。"

從上述實驗或計算可以推論，平行光在傳播方向上的一定距離處，具有相反的性質，在疊加時，互相中和或互相抵消，光也就消失了。而且，還可以推論，這些性質對通過同一介質的相干光來說，在離相干光源為某距離的連續的同心面上交替變化。由測定的一致性與同類現象的相似性，可以下結論說，這些間隔同薄膜彩色條紋的排列形式有關系。當然，光在密的介質中比在疏的介質中進行得更緩慢。而它同時也說明，這不是折射朝向密的介質的引力的結果。支持光的粒子說的人們，必須判斷這一理由的關鍵，即哪一方面最弱這一點。但我們知道，聲音在同心的球面上擴大，樂音互相中和，根據音的不同，由在不同的某一等間隔中，相繼而起的相反性質所形成。所以得出聲音同光的性質之間有非常相似的結論，也是完全可以的。

托馬斯·楊還用光由光疏介質射向光密介質界面時，反射光產生半波損失的觀點，補充了他對薄膜的彩色條紋的解釋。

他在解釋光的偏振時，遇到了特殊的困難。這是由于馬呂斯和布儒斯特在光的偏振方面取得重大研究成果后，頑固堅持牛頓的微粒說造成的。本來，偏振現象是橫波的特性，對偏振現象研究越深入就越有利于光的波動理論。這時，只要將惠更斯與托馬斯·楊的"縱波"改成"橫波"，那么其它問題就迎刃而解了。但是，馬呂斯和布儒斯特在波動理論尚未做出這一改變之前，強烈的反對波動理論。托馬斯·楊沒有隱匿困難，更沒有被困難所嚇倒，1811年，他在給馬呂斯的信中說:"你的實驗證明了我所采用的理論不足，但是這些實驗并沒有證明它是錯的"，六年后，他覺察到，若將聲波看成與水波類似的橫波，那么這個困難就可以得到較好的解決。1817年1月12日，他在寫給阿拉果的信中說:"根據這個學說的原理，所有波都象聲波一樣是通過均勻介質以同心球面單獨傳播，在徑向方向上只有粒子的前進或后退運動，以及伴隨它們的凝聚與稀疏。顯然波動說可以解釋橫向振動也在徑向方向上以相等速度傳播，但粒子的運動是在相對于徑向的某個恒定方向上，而這就是偏振。"這樣，托馬斯·楊根據波動理論對偏振現象作了最初的解釋。其后，菲涅耳與阿拉果更充分地驗證并解釋了它。

不過在二十世紀來臨之時，這些觀點面臨了一些挑戰。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦對于光電效應用光子的概念來解釋，物理學者開始意識到光波具有波動和粒子的雙重性質。1924年，路易·德布羅意提出"物質波"假說，他主張，"一切物質"都具有波粒二象性，即具有波動和粒子的雙重性質。根據德布羅意假說，電子是應該會具有干涉和衍射等波動現象。1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末設計與完成的戴維森-革末實驗成功證實了德布羅意假說。