費曼《路徑積分》對波粒二象性本質的描述,簡單明了!

2020-12-06 李論科學

事實上,量子力學所闡明的微觀世界的規律,總是建立在波粒二重性的基礎上的。而除了玻爾模型,美國科學家理察·費曼還引入了路徑積分的方法來描述波粒二重性的本質。

1965年諾貝爾得主—費曼

理察·費曼,1918年5月11日出生於美國紐約皇后區的一個小鎮法洛克衛。1939年,他從麻省理工學院畢業,進入普林斯頓大學開始讀研究生,成為約翰·惠勒的學生。1942年,在論文中涉及了「路徑積分」的方法。1943年,費曼進入洛斯阿拉莫斯國家實驗室,參加了曼哈頓計劃。二戰期間,他和同時代的物理學家一樣從事核彈的研究工作,並親眼見證了第一顆核彈的爆炸。隨後的1951年,費曼在加州理工學院任教,他那幽默生動、不拘一格的講課風格深受學生歡迎。

費曼

20世紀40年代後期,費曼提出了「量子電動力學」,對電子行為的數學計算結果遠比以前採用的方法精確得多。1965年因其在量子點動力學方面的貢獻,費曼與施溫格和朝永振一郎共同獲得了諾貝爾物理學獎。1972年,費曼還獲得了厄司特杏壇獎章。接下來的1986年,費曼做了一件震驚世界的事情,當時,他受委託調查「挑戰者」號太空梭失事一事,他以非常簡單的物理原理證明了「挑戰者」號失事的原因就在於寒冷的氣候。這個結論曾震驚了全世界。

1988年2月15日,在與病魔搏鬥10年之後,費曼因腹膜癌在加州洛杉磯與世長辭,享年69歲。

路徑積分發對波粒二象性的描述

在摹寫量子理論中的波粒二重性時,費曼提出了歷史求和,也叫作路徑積分的方法。我們知道,在經典非量子理論中,人們總是假定粒子在時空中有單獨的歷史或者路徑。與此相反,在費曼的歷史求和方法中,時空中的粒子不再只有一個歷史或者一個路徑,取而代之的是從A到B粒子可以走任何一個可能的軌道。費曼提出,對應於每個軌道都有一對數:一個數表示波的幅度,另一個數表示在周期循環中的位置或相位,即它是否處于波峰或者波谷,或者它們之間的某處。這樣一來,一個粒子從A走到B的概率就是將所有軌道的波加起來。

通常來說,如果人們比較一族鄰近的軌道,那麼其相位或者周期循環中的位置差別會很大。這意味著,與這些軌道對應的波幾乎完全被對消了。不過,對某些鄰近軌道的集合,它們之間的相位變化不大,所以這些軌道的波就沒有被對消。這種軌道就對應於玻爾的允許軌道。事實上,人們可以相對直接地把這種思想用具體的數學形式表達出來,以計算更複雜的原子或者分子中的允許軌道。

作為費曼獨創性的又一個鮮明案例,路徑積分的方法因其簡單明了的特性得到了人們的認可,成為又一種量子力學的表述法。

相關焦點

  • 波粒二象性:無法像理解宏觀規律的那樣直觀的「理解」波粒二象性!
    波粒二象性並不是比較本質的描述,所以被即有粒子的性質又有波的性質這種迷惑是很正常的的事。倒不如說波粒二不像性,這樣至少能明白即不是經典意義上的波也不是經典意義上的粒子。比如你有一個電子,在你不做任何觀測的時候它是一個波函數,按照薛丁格方程快樂地演化。當你測量它的位置的時候,這個過程差不多是這樣的:你:「波函數啊波函數,請告訴我你的位置吧!」
  • 從波粒二象性到量子力學
    對於光波究竟是波動還是粒子爭論了很多年,雙縫幹涉實驗證明了光是一種波,而光電效應實驗則證明了光是一種粒子,從而產生了光的波粒二象性原理。而費曼認為,電子實際上同時穿過了兩條縫,由此延伸,每一個從發射器到螢屏的電子其實都「同時經歷了所有可能路徑」,而這就是費曼著名的量子力學「路徑求和」方法。
  • 《黃帝內經》中關于波粒二象性的描述
    首先,我們要大概知道物理學上關于波粒二象性的概念是什麼樣子的,波粒二象性(wave-particle duality)指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述,也可以部分地用波的術語來描述。
  • 波粒二象性的諾獎史:光的粒子性要多久才被認可?
    直到量子電動力學的提出,人們才最終擺脫了關于波粒二象性的無休無止的爭論。今天的文章就梳理了與波粒二象性有關的諾貝爾獎,而這段諾獎史也折射出科學的前進是怎樣艱辛而曲折的歷程。撰文| Gösta Ekspong翻譯| 彬那些有關光的本質以及光的發射、吸收過程的研究工作一直是至關重要的。
  • 《自然數波粒二象性與世界泛波粒二象性存在》論文4泛存
    二、世界泛波粒二象性存在(一)、非生命世界泛波粒二象性存在物理上很長時間一直對光的存在狀態,是粒子還是波的形態,發生著爭論。持粒子態證據是光的反射,符合彈性小球碰撞規律;持波的形態證據是,光能夠發生幹涉。
  • 《自然數的波粒二象性與世界泛波粒二象性存在》論文5精神
    文字可以看成,從語言中直接繼承了波粒二象性,文字在以後發展中,又豐富了語言的發展。中國文學中唐詩,具有詩歌頂峰的標誌,學習漢語言是無法繞開的,談中國文學是必談的,生活中不僅引用廣泛,歷來擁有眾多學習和研習者,都為唐詩魅力所折服。唐詩正是它具有極致的波粒二象性,才成為歷來被推崇的文學典範。
  • 用陰陽的概念來理解波粒二象性
    波粒二象性(wave-particle duality)指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述,也可以部分地用波的術語來描述。這意味著經典的有關「粒子」與「波」的概念失去了完全描述量子範圍內的物理行為的能力。
  • 波粒二象性
    能量ε和動量p是描述物質的粒子性的重要物理量;波長λ和頻率ν是描述物質的波動性的典型物理量。因此ε=hν和p=h/λ揭示了光的波動性和粒子性之間的密切關係。二、粒子的波動性德布羅意假說:實物粒子也具有波動性性。任何一個現實中的物體,都有一種波與它相對應,這種波叫做物質波,也稱為德布羅意波。物質波的波長
  • 探求宇宙奧秘,了解微觀粒子波粒二象性的本質
    光能源在光具有波粒二象性的啟發下,1924 年法國物理學家德布羅意提出一個假說,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微觀粒子之後, 科學家為驗證波粒二象性, 通過光的幹涉、 衍射、光電效應、康普頓效應以及湯姆孫的電子通過金的多晶薄膜的衍射和約恩遜的電子通過夾縫的衍射等實驗,證實光和電子存在波粒二象性。
  • 五分鐘量子力學、(二)光的波粒二象性
    今天小編帶著各位小夥伴一起來學習一下五分鐘量子力學的第二章光的波粒二象性。我們今天不去探討波粒二象性帶來的哲學問題,這玩意一旦談起來不光是沒頭沒腦,更重要的是科學和神學各說各話無法得出爭論的結果,以後我會在專門的文章裡來跟大家探討。
  • 什麼是波粒二象性?
    光具有波粒二象性,一定程度上是波,一定程度上是粒子。你可能對這個答案非常不滿意,但其實這就是答案!波粒二象性不是波粒「雙標」,可不是我想什麼時候把它當作波(粒子)就什麼時候把它當作波(粒子)。有一套確定的物理規則,告訴我們在什麼時候光看起來像經典的波,什麼時候看起來像經典的粒子。
  • 改「波粒二象性」為「波粒一象性」
    這個任何時候包含你認為光子正好應該處於雙縫實驗中一條縫出來的路徑上的時候。也就是,按照測量結果,單個光子永遠不會把自己劈兩半。好了,既然不會劈兩半,那接著的問題來了:它怎麼做的矢量分解和通過偏振片呢?如果可以劈兩半,矢量分解和通過偏振片很好理解,分解出來的兩個矢量只有其中一個分量通過了偏振片,另一個矢量被擋住了。
  • 當代量子力學:最好少提「波粒二象性」
    在上篇文章裡,我們討論到,量子就是量子,不是所想像的是「波」是「粒」那樣簡單,波粒二象性並不代表量子的全部。這個觀點,確實對於經典量子力學來講,是一個難以接受的觀點。所以,上篇文章得到一些反對的意見。為此,寫這篇文章,算是對於是上篇文章意見與評論的統一答覆,作為上一篇文章的續篇。
  • 作為量子力學的基石,光的波粒二象性簡單又神秘
    量子力學的gong'che今天就和大家分享分享光的波粒二象性,歷史上科學家一直在爭論光到底是一種波還是一種粒子,他提出了一個新穎的觀點,就是所謂的物質波,簡單來說,德布羅意這個傢伙認為著世上沒有絕對的波也沒有絕對的粒子,粒子具有波動性,波也具有粒子性,任何物質都同時具有波動性和粒子性,當一個物體波動性強的時候,它的粒子性就弱,當一個物體波動性弱的時候,它的粒子性就強。
  • 遲到的科普:光的波粒二象性
    在之前講光速的測量的時候冷言曾經講到過光的波動性與光的粒子性,也就是光的波粒二象性這個概念。那個時候主要講的是光速的測量關於光的波粒二象性沒有具體講,所以今天具體講一下光的波粒二象性是怎麼一回事?光的波粒二象性簡單的講就是:光具有波的特性又有粒子的特性。光的波特性主要是從光的幹涉和衍射上反映的。
  • 數理同源 費曼的路徑積分(二)
    所以現在,我們有了三種方法來描述量子力學:除了薛丁格的微分方程、海森堡的矩陣力學之外,又有了費曼的方法!這三種表述都能得到同樣的波函數,然而,費曼這種方法到底是什麼意思呢?如果按照費曼所想的辦法,將有限的時間段分成無限多個小時間段,聽起來倒也不是什麼新花樣,那不就是微積分的思想嗎。不過,從上一節的敘述中可知,每一個時間小段的傳播子,都包含了一個積分表達式。
  • 《自然數的波粒二象性與世界泛波粒二象性存在》(論文)
    一、自然數的波粒二象性(一)自然數波粒二象性人們認為自然數中主要問題是質數,它無規律,沒有統一表達。偶數列可以表達為2n(n=1,2,3,……),奇數列可表達為2n+1,即簡單又明了,人們已充分了解了奇偶數列;奇數列表達式可以看成偶數列為基礎改造形成,託身於偶數列表達式的正確。
  • 凝聚態物質中準粒子的波粒二象性
    凝聚態物質也是由原子構成的,原子由原子核與核外電子構成,其構成原子的原子核與電子的量子性質和它們之間的電磁相互作用在原則上決定了凝聚態物質的性質;但是,凝聚態物質是由大量的原子組成,大量具有基本量子性質的原子通過簡單的電磁相互作用卻構成了複雜的聚集體,具有豐富多彩的物理性質——我們並不能夠通過簡單地外推少數粒子的性質來理解凝聚態物質的行為。
  • 清華大學在實驗中證明了宏觀物體的波粒二象性
    清華大學研究人員在實驗中首次觀察到了液態金屬流體宏觀體系中的波粒二象性,為藉助金屬流體行為認識量子世界乃至更多物理體系開啟了一條全新的途徑。2005年法國科學家伊夫·庫代(Yves Couder)的團隊用矽油實現了波粒二象性的實體化,這一發現引發了人們對導航波理論以及量子世界本質的重新思考。
  • 光的波粒二象性
    這種被稱為「波粒二像性」的概念,也適用於所有亞原子粒子,如電子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力學理論的基礎,諾貝爾獎獲得者理察•費曼「量子力學中一個真正的奧秘」。高中物理選修3-5:光的波粒二象性知識點一、黑體輻射規律