量子力學4:德布羅意的明悟

2021-02-13 乘月書房

你算一算矽原子之間的距離,算一算電子的波長,絲毫不差。德布羅意用博士畢業論文拿到 1929 年的諾貝爾物理獎,青史留名。

值得一提的是,證明電子波動性的幾個實驗物理學家得到了1937年的諾貝爾物理獎。其中一個獲獎者叫喬治·湯姆孫(Sir George Paget Thomson),用的不是晶體散射,而是另一個方法 —— 他是誰呢?就是我們上一講說的那個發現電子的約瑟夫·湯姆孫的兒子。這父子倆一個因為證明電子是粒子拿了諾貝爾獎,一個是因為證明電子是波拿了諾貝爾獎。

所以電子真的是波。物理學家最愛幹的事兒就是「看破紅塵」,搞個統一理論,說明看似完全不同的兩個東西其實是一回事。德布羅意做到了這一點,說電子和光子其實是一回事。

其實我們跟電子和光子也是一回事。任何物質都有波的一面。為什麼我們在日常生活中感受不到波動性呢?因為我們的質量太大了,而普朗克常數是個非常小的數字。比如有個質量是 3 公斤的保齡球,以每秒 10 米的速度運動,根據德布羅意的公式,它的波長是 10^(-35)米,你完全探測不到這樣的波動。

那你說我的體重雖然大,那我一動不動行不行?如果我的速度是 0,我的波長不就變大了嗎?我的回答是那是不可能的。量子力學不允許任何東西的速度是 0…

什麼東西都既是波又是粒子,這就叫「波粒二象性」。這個詞說著容易,但是我們仔細想想,「既是波又是粒子」,這是什麼樣的行為呢?

如果電子就是一個點,它怎麼個「波動」法呢?難道說它是沿著「之」字形路線、扭來扭去地像波一樣前進嗎?那是不可能的。那樣的波動會有很多急轉彎,每一次拐彎都是加速運動,都會輻射能量,電子受不了。更何況這種波動的運動速度會超過光速,違反相對論。

那如果電子根本就不是一個點,而是一片「波動的雲」,那為什麼我們每次都剛好捕捉到一個點呢?從雲到點,這個瞬間的變化是如何發生的呢?

更不可思議的還在後面。

1961 年,物理學家終於用電子做成了楊氏雙縫實驗。

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    在人們認識微觀世界和原子結構的過程中,新的思想和理論不斷產生,量子力學就是在普朗克,愛因斯坦,玻爾,德布羅意,海森堡,薛丁格,波恩,泡利,狄拉克這些物理學家們共同建立起來的。量子力學建立在早期量子論的基礎上,量子論的三巨頭就是普朗克提出能量量子化,愛因斯坦的光量子理論,玻爾的原子內部能級量子化。
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    德布羅意用親身經歷告訴你,沒有什麼不可能。其實不獲得諾貝爾獎,德布羅意一樣青史留名。他的家族是法國的頂級權貴,每一代繼承人都擁有法國公爵和德國親王的封號。家庭條件給了德布羅意優良的教育,18歲的時候,德布羅意就憑藉出色的成績從巴黎大學畢業。畢業之後,德布羅意就跟隨在他的哥哥身邊,他的哥哥是個科學愛好者,是索爾維會議的工作人員。
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    1924年,32歲的德布羅意完成了博士論文《量子理論研究》,次年全文發表在《物理年刊》。在他的博士論文裡,德布羅意基於愛因斯坦對於光波特別是光波的「波粒二象性」研究,提出了電子的波動性新理論,把愛因斯坦的理論從光推廣到物質,即物質微粒的波粒二象性。
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    然而,德布羅意無法確定導航波的物理性質,而且他也難於將自己的描述擴展到一個粒子以上。在著名的1927年索爾維會議上,一群傑出的科學家聚在一起,討論量子力學的意義,而玻爾更為激進的觀點獲得了大家的認可。78年過後,當巴黎實驗室裡的油滴開始彈跳時,德布羅意用以描述量子世界的導航波理論已幾乎被人遺忘。
  • 量子力學史上的大論戰
    會議主題是「電子和光子」,其議程如下:首先勞倫斯·布拉格做關於X射線的實驗報告;然後康普頓報告康普頓實驗以及其和經典電磁理論的不一致;接下來,德布羅意做量子新力學的演講,主要是關於粒子的德布羅意波;隨後,波恩和海森堡介紹量子力學的矩陣理論,而薛丁格介紹波動力學;最後,玻爾在科莫演講的基礎上再次做那個關於量子公設和原子新理論的報告,進一步總結互補原理,給量子論打下整個哲學基礎。
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    量子力學這個概念近些年漸漸走進普通人的身邊了,所以很多人都開始想了解一下這個量子力學到底講的是什麼,這個東西說起來真的很詭異,不像相對論那麼容易理解,量子力學非常顛覆非常的反常識,所以這就讓人理解起來很困難,這個不僅僅是普通人理解起來很困難,連物理學家們研究起量子力學來也是一路跌跌撞撞
  • 袁燦倫重建《新量子力學》(二十)新量子力學解讀(4)
    (4)11、量子力學的精髓現在我們來全面重新審視量子力學基礎理論。量子力學實際上只研究到核外空間的電子的行為。從以上的討論可以看出,量子力學其精髓有普朗克常數關係(mvλ=h)、愛因斯坦-德布羅意關係和駐波條件。以上的討論可知,現在量子力學可以不作為一個什麼新的理論來看待了。
  • ——德布羅意的重大發現
    在充分理解了普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子規律的論述工作後,小德布羅意天才地提出了微觀粒子波二象性粒的假說,它是量子力學的奠基性假說。波粒二象性的由來1923年 9月, 德布羅意在《法國科學院通報》上發表了他的不同凡響的見解。
  • 關於量子力學的基本原理
    在光具有波粒二象性的啟發下,德布羅意認為,既然在X射線的情形下既有波又有粒子,人們必須把這種二象性推廣到物質粒子,特別是電子。他也注意到,量子現象中的量子數這樣的東西,在力學中很少見,而在波動現象和所有涉及波動的問題中卻經常出現。1923年秋,德布羅意在他提交給巴黎科學院的三篇短文中提出假說,聲稱所有物質都擁有類波動屬性。
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    具體地,我會聊一聊我們為什麼要學習量子力學,什麼是量子 (quantum) ,啥是力學 (mechanics) ,量子力學是什麼樣的學問,通過對量子力學創立過程的回顧介紹量子力學具體的內容,通過幾個例子談談量子力學的威力,最後作為結束語我會談談如何學習量子力學。
  • 什麼是量子力學?| 曹則賢
    文章的大致章節安排如下:(1) Quantum與mechanics 釋義(2) 量子意味什麼?(3) 量子力學是如何創立的?(4) 量子力學的輝煌成就(5) 如何學習量子力學?Quantum mechanics, 量子力學, 其中的quantum 來自拉丁語形容詞「多少」的中性形式。