光是粒子还是波?(光是粒子还是波的发展史)


严格地说,光(子)既不是(经典意义下的)粒子,也不是(经典意义下)的波。

只是在有些情况下表现出(经典意义下的)粒子的某种特性,

在另外一些情况下又表现出(经典意义下的)波的特性。

1、“粒子性”与“波动性”

我一直强调,当我们使用一个概念的时候,要明确这个概念的定义

对于概念定义 / 意义的不明确,是很多人(尤其非专业人士)对物理理论不能正确理解甚至民科化的一个重要原因。

比如说,当提到“波动性”的时候,大家想到的是什么呢?

是不是......

波动性?像图中一样的运动方式?

提到“粒子性”呢?

粒子性?一个点状物体?

波粒二象性呢?

波动性与粒子性的完美结合?

实际上,这些都是对于波动性和粒子性的直观感觉,并不严格,

下面是节选自曾谨言老师写的《量子力学 I》

仔细分析实验就可以看出,电子所呈现出来的粒子性,只是经典粒子概念中的“原子性”或“颗粒性”,即总是以具有一定质量、电荷等属性的客体出现在自然界,但并不与“粒子有确切的轨道”的概念有什么必然的联系。而电子呈现出的波动性,只不过是波动性中最本质的东西——波的“相干叠加性”,并不一定要与某种实际的物理量的空间分布的波动联系在一起。

(P.S. 关于波动性和粒子性的明确解读,至少在中文教材中,我只见到曾老师的书中有)

划重点:

  • “粒子性”表达的是一种颗粒性,但与“确切轨道”没有必然联系;
  • “波动性”则是指波的“相干叠加性”,具体表现在实验中出现干涉条纹,而与像水波一样扩散或者往复运动等概念没有关系。

2、光的波粒二象性

那么,为什么会说光具有波粒二象性呢?

对于物体性质的判断,归根结底是来自于实验,

当做光的双缝干涉实验时:

实验结果显示:

(来源[1]

从光子双缝干涉实验的结果(上图)中至少可以看出光子的两个性质:

  1. 光子打到显示屏上的时候,是以一个“点”的形式出现的;
  2. 当显示屏上积累了大量点的时候,这些点整体呈现出非常明显的条纹状结构。

根据上一节中的内容,可以看出,这个实验结果非常明确的显示了光子所表现出来的“粒子性”和“波动性”,这也就是我们常说的,光子具有“波粒二象性”。

此时再看一下题主的问题:

那么光本质又是一种什么?波还是粒子?

所以,答案就是:

光(子)既不是(经典意义下的)粒子,也不是(经典意义下)的波。光子就是光子,是一种客观存在的粒子(注意,此处说的粒子不是经典意义下的粒子),有些时候显示出粒子性(比如,出现在显示屏上的时候),有些时候又表现出波动性(比如通过双缝的时候)。

就好像一个圆柱一样,你看到的图形(圆形,长方形或者不规则的形状)跟你看的角度有关,但是圆柱就是圆柱,不是圆形与长方形的结合。所以,与其说光子具有“波粒二像性”,不如说光子具有“波粒二不像性”。

要想很好的理解这一点,就必须抛弃经典理论中的粒子和波,而要通过实验结果来认识光子(任何微观粒子)的特性。当然,该如何描述光子 / 微观粒子的行为就不是本回答的重点了,不过简单地说,到目前为止,人们对与微观粒子有了一个非常不错的认识,也发展并完善了相关的理论(量子力学,量子场论等)。

3、观测改变状态,意识影响物质?

很多人都会提到,在光子双缝干涉实验中,当你想去观测光子的路径的时候,后面的干涉条纹就消失了

也就是说,光子知道你在观察它,然后就只表现出粒子性。

这是不是意味着人的意识能改变客观物质的行为?

这是对微观实验的误解。很多人认为微观实验中的“观察”指的是如下行为:

认为实验中的“观察”就是人用眼睛去看

对此,我想说,暂时闭上眼睛,世界就不存在了!再一睁眼,我就创造了整个世界!

实际上,这里所说的“观察”是用实验仪器去探测微观粒子,这样的实验仪器往往是这个样子的:

大型强子对撞机 LHC 中的粒子探测器

双缝实验中的显示屏就是广义上的探测器。

而观测粒子或者说探测粒子,其实质就是被探测粒子与探测仪器的相互作用,没有相互作用就无法探测到粒子,

只要有相互作用,就会改变粒子本来的状态。

所以在双缝实验中,如果在一个缝处放一个探测器,这个探测器就会与光子发生相互作用,改变光子的状态,使光子只表现出粒子性而不显示波动性。

反过来说,去观测一个粒子的时候,粒子的状态没有发生变化才是不可理解的事情吧!

所以,这里面跟意识没有任何的关系,一切都是非常自然且可以理解的。

4、最后瞎逼逼

  • 任何的物理概念,都应该有明确的意义或者达成共识的理解;
  • 任何物质的性质,根本都是来自于实验,所以对物质性质的判定归根到底都应该从实验现象出发;
  • 任何的物理理论,都有适用范围,所以在使用一个理论 / 概念的时候,都要小心其在讨论的范围内是否适用。

能做到这三点,我相信很多物理中的问题都可以被很好的解决与理解。


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