波粒二象性从何而来？

尊敬的读者，感谢您在百忙之中阅读我的文章，这是对我努力的肯定，也是持续创作的动力，向您致以我最诚挚的敬意，希望能得到您的一个"关注"，在此感谢！

波粒二象性是整个物理学中最强大但也最具争议的思想之一。他指出，当量子在空间中自由传播时，不被观察和测量，它会表现出波动行为，不仅会与其他量子发生衍射和干涉，还会与自身发生衍射和干涉。然而，当观察和测量同一个量子，或者被迫以揭示其量子态的方式与另一个量子相互作用时，它就会失去其波动特性，而表现得像粒子。它于 20 世纪初首次在光实验中被发现，现在已知它适用于所有量子，包括电子，甚至原子核等复合粒子。

尽管我们现在知道光和所有量子一样，在某些物理条件下既可以被描述为波又可以被描述为粒子，但关于光是波还是粒子的争论可以追溯到 1600 年代。从很多方面来说，这一古老论点的双方在今天都可以声称是正确的。

但我们如何发现波粒二象性的故事并不是在 20 世纪初开始和结束，而是可以追溯到数百年前：艾萨克·牛顿的时代。这一切都始于关于光本质的争论，这场争论从未得到解决（尽管双方在不同时间宣布“胜利”），直到我们开始理解现实的奇怪量子本质。尽管波粒二元论起源于宇宙的量子本质，但人类发现宇宙的历史充满了重要的步骤和错误，总是由唯一重要的信息来源驱动：实验和直接观察。这就是我们最终得出现代现实概念的方式。

克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）将看似简单的平面波（例如穿过部分封闭的障碍物的光或水）表示为一系列以球形向外传播的波，所有波都相互叠加。波力学的这种思想不仅适用于水波等标量波，也适用于光和粒子。

惠更斯：光是一种波

想象一下波浪在水中传播，例如在海洋中：它看起来以一定的速度和一定的高度线性移动，但随着水深的减小而改变并撞击海岸。1678 年，荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 认识到，这些波可以被视为无限数量的球面波的总和，而不是线性的、一致的实体，每个球面波沿着传播的波前相互叠加。

惠更斯注意到干涉、折射和反射等现象的存在，并发现它们同样适用于水波和光，因此推测光也是一种波。这为水波和光波的线性波和球面波传播提供了第一个成功的解释。然而，惠更斯的工作也有其局限性，包括：

- 她无法解释为什么波只向前传播而不是向后传播，

- 他无法解释“边缘效应”或衍射发生的原因和方式，

- 他的光概念无法解释偏振的存在，当阳光从水体反射时很容易观察到偏振。

“光是波”的想法起源于惠更斯，1690年他的论文发表后在欧洲大陆非常流行，但由于存在一个更著名的竞争对手而未能在其他地方流行。

光从薄介质穿过致密介质时会发生折射。光线从左侧射入棱镜并被部分反射（顶部），而其余部分则穿过棱镜并从右侧射出。通过棱镜的光看起来会弯曲，因为它的传播速度比之前在空气中传播的光慢。当它再次离开棱镜时，它再次折射，恢复到原来的速度。请注意，不同的波长对应于不同的颜色，并且它们在穿过棱镜时分离，而不是前后分离。

牛顿：光是一个微粒（粒子）

1704 年，牛顿根据他在 1672 年首次提出的实验发表了他的光学论文。牛顿能够将光描述为一系列以类似粒子的方式表现的射线或微粒，而不是波。牛顿光学中得出的结论是从进行的实验中直接得出的结论，重点关注折射和衍射现象。通过让光穿过棱镜，牛顿首次证明光并不是“最初是白色的”，而是由于与物质相互作用而改变颜色，而白光本身是由光谱中所有不同颜色组成的，这他通过让白光穿过棱镜来做到这一点。

他用棱镜和透镜进行了折射实验，用紧密堆积的玻璃板进行了衍射实验，以及用组合的各种颜色的光和颜料粉末进行了颜色混合实验。牛顿首先提出了“ROY G. BIV”调色板，指出白光可以分为红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫。牛顿是第一个认识到我们所感知的颜色源于光的不同成分的选择性吸收、反射和透射的人：我们现在所说的波长，这个想法与牛顿的概念相反。

杨氏双缝实验

整个 1700 年代，牛顿的思想在全世界流行，强烈影响了伏尔泰、本杰明·富兰克林和拉瓦锡等人。但在本世纪末，从 1799 年到 1801 年，科学家托马斯·杨开始对光进行实验，在此过程中我们对光的理解取得了两个巨大的突破。

第一个，也许是最著名的突破，如上所示：杨首次用光进行了双缝实验。通过让单色光穿过两个间隔很近的狭缝，杨能够观察到一种只能用波动行为来解释的现象：光在其所创建的图案中产生相长和相消干涉，其方式取决于光的颜色。使用光。杨还通过定量研究证明，我们所感知的光的颜色实际上是由光的波长决定的：除了不同颜色的混合之外，波长和颜色与每种颜色直接相关。其他。

尽管牛顿的光概念仍然有其优点，但很明显，光的波动理论也有其优点，并且在牛顿粒子理论失败的地方取得了成功。随着 19 世纪的到来，这个谜团愈加加深。

通过双缝的不同波长的光表现出与其他波相同的波动特性。改变光的波长以及改变狭缝之间的距离，将改变所得图案的细节。

西蒙·泊松和最荒谬的计算

1818年，法国科学院举办了一场以揭示光的本质为主题的征文比赛，物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔决定参加。在这次比赛中，他结合了惠更斯波动原理和杨干涉原理，定量地写了一篇论文，详细阐述了光的波动理论。他也能够解释该框架中的衍射效应，并将叠加原理添加到他解释恒星闪烁颜色的文章中。

然而，牛顿微粒思想的支持者之一、担任委员会评委的西蒙·泊松(Simeon Poisson)最初试图嘲笑菲涅尔，并将他排除在竞争之外。（尽管另一位贡献者在 200 多年后仍然不为人知，但他并不知道杨的工作。）泊松能够根据菲涅尔理论证明，如果你采取：

- 单色光，

- 通过散射透镜来扩展光束，

- 并使光束绕过球形障碍物，

然后菲涅尔理论预测阴影中心将出现一个明亮的发光点，而不是固体阴影。此外，该点将与位于球体阴影之外的光束部分一样明亮。显然，泊松推断，这个想法是荒谬的，因此光根本不可能具有波动性。

实验结果通过实际光学数据证明了在球形物体周围使用激光。请注意菲涅尔理论预测的显着证实：球体投射的阴影中将出现一个明亮的中心点，证实了光波动论的荒谬预测。仅靠逻辑是无法让我们走到这里的。

弗朗索瓦·阿拉戈论证了该实验的荒谬性

然而，该委员会有五人，其中之一是弗朗索瓦·阿拉戈：一位废奴主义者、政治家，也是 1848 年法国总统。泊松反对菲涅尔想法的论证启发了阿拉戈，但不是泊松想要的归谬法意义上的启发。相反，阿拉戈开始亲自进行实验：创建一个单色光源，以球形方式扩展它，然后将其传递到一个光滑的小球体周围以查看实验结果。

也许令所有人惊讶的是，阿拉戈的实验表明这个点确实存在！而且，她：

- 与无障碍光线具有相同的亮度，

- 尺寸仅根据光的波长而变化，

- 距屏幕的距离和球体的大小，此外还包含由于不同波前产生的进一步干扰而产生的同心暗环。

惠更斯的思想最终奠定了坚实的理论基础，并发展成为成熟的理论，现在可以解释极化等现象。1800年代，光的波动性被科学界广泛接受。

光只不过是一种电磁波，具有垂直于光传播方向的同相振荡电场和磁场。波长越短，光子的能量越大，但它越容易受到介质中光速变化的影响。

麦克斯韦证明光是一种波

1800 年代也是电和磁领域取得进步和发现的激动人心的时期。安培、法拉第、高斯、库仑、富兰克林和许多其他人的工作为 19 世纪最伟大的科学成就奠定了基础：麦克斯韦方程组和电磁学的发展。发现包括：

- 带电粒子产生电场，

- 运动中的带电粒子产生电流，

- 电流产生磁场，

- 变化的磁场感应电流，

- 变化的电场会产生麦克斯韦所说的位移电流或磁场，它会以某种方式发生反应。

正如 1870 年代所示，麦克斯韦方程组的结果之一是，在某些条件下会出现一种电磁辐射：由振荡、同相电场和磁场组成的辐射，以一种通用速度传播，该速度恰好是真空中的光速。最后，我们得到了似乎完整的解释：光不仅是一种波，而且是一种电磁波，总是以一种普遍的速度，即光速传播。

光电效应详细描述了电子如何根据单个光子的波长而不是光的强度或任何其他属性被光子电离。高于入射光子的某个波长阈值，无论强度如何，电子都会被丢弃。低于此阈值，即使增加光强度，也不会喷射任何电子。每个光子中的电子和能量都是离散的。

爱因斯坦证明光能是量子化的

当然，物理学并没有随着经典电磁学的发现而结束，20 世纪 00 年代初期带来了量子革命的早期阶段。这个现实新概念的关键方面之一来自阿尔伯特·爱因斯坦本人，他 1905 年关于光电效应的论文将永远改变我们对光的理解。通过拿一块导电金属板，爱因斯坦能够证明，用光照射它会导致电子自发地从金属中发射出来，就好像这些电子被击中它们的光“击倒”一样。显然，有了足够的能量，电子就脱离了它们所属的金属

爱因斯坦接下来所做的事情绝对是辉煌的。

当他改变光的强度时，他注意到它改变了被击倒的电子数量，但并没有改变它们是否被击倒。当他改变光的波长时，他注意到，超过一定的波长，无论强度有多高，都不会击落电子。当他将光的波长朝相反方向改变为短波长时，他注意到电子总是会变得混乱，无论强度多么暗淡。光似乎是由单独的能量“包”组成，这些能量包今天被称为光子，其携带的能量与其频率成正比。（或者与它们的波长成反比。）虽然光以波的形式传播，但它以微粒（或粒子）的形式与物质相互作用，

电子一次一个穿过双缝的波形。如果你测量电子穿过“哪个狭缝”，你就会破坏这里显示的量子干涉图样。然而，只要电子的德布罗意波长小于它们通过的狭缝的尺寸，波行为就会保持不变。这种波和粒子行为已经在电子、光子甚至更大的复合实体中得到了证明。

现代双缝实验与现实的二元性

事实证明，光子、电子和所有其他粒子都表现出这种奇怪的波粒二象性量子行为，如果你在它们传播时观察和测量它们，或者以其他方式使它们与其他量子相互作用并交换能量和动量，它们会导致它们的行为就像粒子一样，但如果不这样做，它们的行为就会像波一样。杨氏双缝实验的现代版本也许最好地说明了这一点，该实验不依赖于单色光，甚至可以通过每次穿过双缝的单个粒子（例如光子或电子）来进行。

如果您在粒子到达屏幕之前不测量它们而进行此实验，那么您会发现，一旦您积累了足够的单个量子，它们实际上会重现经典干涉图样。与大量粒子着陆的地方相对应的亮点被很少或没有粒子着陆的暗带分隔开，这与干涉图样的概念一致。

然而，如果您测量量子在其旅程中是否穿过“狭缝#1”或“狭缝#2”，您将不再在屏幕上看到干涉图案，而只是两张幻灯片：一张幻灯片对应于穿过的粒子第一个狭缝，另一个对应于穿过另一个狭缝的粒子。

如果通过交替的双缝实验来测量电子（或光子）穿过哪个缝，则不会在其后面的屏幕上得到干涉图案。相反，电子的行为不像波，而是像经典粒子。单缝实验也可以看到类似的效果（左）。

许多人评论说：“就像大自然知道你是否在看它一样！” 从某些方面来说，这种违反直觉的说法实际上是正确的。当你不测量量子而只是让它传播时，它的行为就像波：一种经典波，不仅会干扰其他波，还会干扰自身，表现出衍射和叠加等波行为。然而，当你实际测量一个量子或以其他方式使其与另一个能量足够高的量子相互作用时，你的原始量子的行为就像一个粒子，它遵循一条确定性的、类似粒子的路径，就像物理粒子探测器中显示的轨迹一样。

那么，光是波还是粒子呢？

答：是的，两者都是。自由传播时它像波，相互作用时像粒子，在过去约 100 年左右的时间里，人们对这一系列现象进行了大量研究。尽管提出了隐藏变量来尝试将波粒二象性调和到单一的确定性框架中，但所有实验都表明自然仍然是不确定的，因为你无法比概率方法更准确地预测未经测量的波状试验的结果。薛定谔方程。波粒二元论始于 1600 年代，尽管我们试图查明现实的真实本质，但宇宙本身揭示的答案是，我们的量子现实既是，又确实取决于，