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电子到底是粒子还是波?单个电子是如何同时通过双缝进行干涉的?

2022-11-25 21:12:57 3133

摘要:经典物理中,麦克斯韦把光看成是一种电磁波,没有任何粒子的特性;对于实物粒子(如电子、中子、质子等)则被纯粹地认为是一种「微观颗粒」,用于构成更复杂的物质结构,进而构成宏观实体,没有任何波的特性。后来,人们发现诸如 黑体辐射、光电效应、康普顿...

经典物理中,麦克斯韦把光看成是一种电磁波,没有任何粒子的特性;对于实物粒子(如电子、中子、质子等)则被纯粹地认为是一种「微观颗粒」,用于构成更复杂的物质结构,进而构成宏观实体,没有任何波的特性。

后来,人们发现诸如 黑体辐射、光电效应、康普顿散射 等现象,无法完全利用光的波动性加以解释,于是物理学家开始把光看成是一些光(量)子的集合,同时具有波动性。


之后,电子、中子、质子等实物粒子被双缝干涉实验发现具有波动性,具有同光子相同的性质。


于是,物理学把这个光与实物的都具有普适特性称为「波粒二象性」,光与实物在动理学上由此统一起来,量子物理由此诞生。


量子物理 中,任何宏观物质都可以被还原成更微观、更基本的粒子,任何物质都具有波动性。我们把物质固有波动性导致的物理现象称为「物质波」。

相比之下,经典物理 中,描述宏观实体运动的经典力学(速度接近光速时,考虑狭义相对论)、描述带电实体宏观尺度运动的电磁学、描述宏观电磁场与引力场(四维时空曲率)行为的经典场论,以及描述光的波动性质的波动光学,则完全是不同的模型。

在量子力学的框架下,物质表现为波动性时,并没有确定的运动轨迹,只有在某一位置所出现的概率,一般用波函数

其中,波函数可以通过薛定谔方程

以上就是单电子双缝干涉的实质。

至于许多科普作品中提到的所谓「电子自己与自己干涉」,虽然也不能算是错误。然而,这种说法难免会让许多没有系统接触过量子力学的人联想到「同一个微观颗粒为什么能够同时占有两个位置?」。事实上,要想避免诸如此类的疑惑,就必须承认该现象归根结底是由于电子具有波动性才会导致的结果。因此,我们也应该完全采用描述波动性的术语,认为「同一个电子波的两处涟漪同时经过双缝时导致干涉」,才能得到最准确的解释。

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