为什么人们常说“光是一种粒子也是一种波”,而不是说“光既具有粒子的性质也具有波的性质”?
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实际上,恰恰应该说后面这句话而不是前面的。
我展开说一下,很多答主都已经指出,光是一种全新的量子对象,既不是经典力学中熟悉的波也不是例子,只是它在性质上与经典波和经典粒子有相似之处,于是历史上人们提出了“波粒二象性”这个概念,这个名字更多地强调了和经典对象的相似性,这在科学传播中带来了诸多误解。
具体来说,光子是电磁场的量子理论——量子电动力学 QED 的结果(虽然历史上光子的提出先于电磁场量子化,但我们不是在讨论科学史), QED 的计算告诉我们(只考虑电磁场本身):
- 对任一给定波矢(模式),电磁场的能谱是像量子谐振子那样离散的,当电磁场具有确定的能量时,其中包含着确定数目的光子, H|n_\vec{k}\rangle=\hbar\omega_\vec{k}(n_\vec{k}+\frac{1}{2})|n_\vec{k}\rangle 。(不过在自由空间中这种光子描述不太恰当,但在光腔中就很好了)
- 当电磁场中包含确定数目的光子时,我们完全不能确定电场强度和磁场强度。我们只知道它们的期望值为零, \langle n_\vec{k}|\vec{E}|n_\vec{k}\rangle=\langle n_\vec{k}|\vec{B}|n_\vec{k}\rangle=0 (这是因为它们只包含产生湮灭算符的一次项),它们的不确定性为 \Delta\vec{E}=\sqrt{\langle n_\vec{k}|\vec{E}^2|n_\vec{k}\rangle}\propto\sqrt{2n_\vec{k}+1} (平方的期望值 \ne 期望值的平方),这可以通过电磁场能量密度正比于 \vec{E}^2+c^2\vec{B}^2 简单得到。
- 反过来,当我们非常确定电场强度和磁场强度时,我们完全不能确定其中包含了多少光子。我们称最接近经典电磁场的状态为相干态,它是各种不同光子数目的状态的复杂叠加,此时,量子的电磁场几乎就像经典的电磁场一样,场强期望值满足麦克斯韦方程组,不确定性很小。
编辑于 2024-01-21 14:15・IP 属地黑龙江查看全文>>
张越之 - 6 个点赞 👍
同意 @张越之 和 @观雨 的回答:后面这句话表义更准确。英文维基百科引用法国物理学家Albert Messiah编写的经典教材 Mecanique Quantique (Dunod 1959)英文版中对于波粒二象性的表述为:
Wave–particle duality is the concept in quantum mechanics that quantum entities exhibit particle or wave properties according to the experimental circumstances.
中文翻译:在量子力学中,波粒二象性的概念是指量子实体根据实验情景展现出粒子或波的性质。@星钬燎原 和 @观雨 的回答中也指出:波粒二象性是物理学概念而非哲学命题,不能仅从字面上理解。事实上,如果讨论的对象是光,那么不论是量子力学还是量子场论中都会把在传播中的光用波(场)来描述,而在光与带电粒子相互作用的时候用光子来描述。这完美地对应了“根据实验情景展现出粒子或波的性质”这一表述。
发布于 2024-01-20 04:25・IP 属地美国查看全文>>
Mile Christ - 4 个点赞 👍
只是讲一句话不用那么讲究而已,实际上只要学过量子力学都知道显然后者是对的。
所以量子力学并不像某些靠语文来研究物理的人的想象中那样纠结于“同时是粒子和波在逻辑上矛盾”的问题,因为我们可以直接描述物质的性质。物理不是经学,不是寓意解经和注解经文,不需要揣摩个别圣人的名言。
编辑于 2024-01-19 23:34・IP 属地广西查看全文>>
知乎用户 - 3 个点赞 👍
“波粒二象性”这个词有非常大的迷惑性,并不是说它“既是波又是粒子”,而是“既不是波也不是粒子”。
想一想盲人摸象,大象既不是柱子也不是蒲扇,我们摸到的只是某一个角度的性质。大象就是大象。
发布于 2024-01-20 09:32・IP 属地北京查看全文>>
唐学韬 - 1 个点赞 👍
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一异 - 0 个点赞 👍
简单来说这是个历史遗留问题。
就有点类似『不确定原理』和『测不准原理』之间的关系。
没有接受经典物理学中『波就是波,粒子就是粒子,二者相互对立』的『思想钢印』的人其实不需要『光是一种粒子也是一种波』这种『振聋发聩』式的表述方式来展示量子力学的反常性。那么,就会觉得前一种表示方式过于『故弄玄虚』,后一种更接近本质。
但实际上两句话是一个意思。
玻尔说过这么一句话:“如果你不为量子论感到困惑,那你就是没有理解量子论。”
某种意义上这句话是有前提的——你至少得理解在经典物理中什么是波什么是粒子。
没有这个背景的话,你会觉得量子力学十分自然——甚至是优美地像数学一样,基于有限的假设,通过数学方式,一点一点地自下而上地建构世界。
那么自然地,我们算出了什么样的结果,我们描述的对象就拥有什么性质。至于这个性质在经典物理学中有什么地位,不重要。从这个角度出现的话,所谓的『光是一种粒子也是一种波』就是一种『故弄玄虚且表意不清版本』的『光既具有粒子的性质也具有波的性质』。
但是你如果从经典物理的角度来说,你会觉得这是句『自相矛盾』的『悖论』——怎么可能一个东西既有粒子的性质又有波的性质呢?难道它既是一种粒子又是一种波?这怎么可能呢?
现在的绝大多数的接触量子力学的理工科学生, 除了物理系的,基本上不太可能存在这种『知见障』——绝大多数学量子力学的人更多是把这个东西当成个计算工具,不是太care具体的诠释方式——哥本哈根也好,多世界也好,上帝投不投骰子都行,不管哪种诠释方式,到最后都是等价的。那就爱咋咋地吧。
以现在绝大多数人(具体来说是工科的大学物理)的量子力学的学习过程来看,基本上也就是学到求解定态的薛定谔方程了。学完大物的期末考试。可能撑死了就是学会(beixialai)求解一维有限深方形阱问题,也知道这玩意是隧道效应,体现了粒子的波动性,会得到一个和经典物理学中得不到的结果。或者再深一点,也就是求解氢原子,然后再简单讲一下原子的壳层结构。
——以我的经验来看,这部分的知识在后续的课程中还是默认学生不会的,如果选修相关课程,比如量化计算初步,密度泛函,原子物理初步之类的课程的话,序论课和第一节课基本都还是会把这部分的东西再从头过一遍。
仅此而已。
编辑于 2024-07-22 11:56・IP 属地北京真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
Archimon