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粒子的波动性假说,电子也是波吗 05

Masir 科学羊 2024-03-30

本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统的讲述物理学本身,今天是第三季第6篇


说起量子力学,在这个领域有个伟大的人物,几乎无人不知,那就是提出薛定谔的猫的物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)。


薛定谔最伟大的发现就是1926年创立了波动力学,关于薛定谔本身我们后续再谈,让我们先看看薛定谔在创立这个方程之前发生了什么。

(薛定谔,图片来源网络)

首先,埃尔温*薛定谔本人是个多才多艺的人,精通数学、文学和哲学,而且薛定谔特别喜欢动手,也就是喜欢通过实验来验证自己的假设。后来因为喜欢理论物理,所以后来才有了后来的伟大。


而薛定谔真正发力的时候是1925年。这一年,薛定谔是在瑞士苏黎世大学的时候,他的一位朋友让他去解读德布罗意的论文,这篇论文正式曾经惊动爱因斯坦的那一篇论文。


当时,薛定谔读的正是德布罗意提出“物质波”的那篇论文。薛定谔作了报告,他这位朋友当场发表了一个评论:德布罗意这玩意儿纯属儿戏,什么叫物理学?你得有方程才行。德布罗意凭空就说电子是个波,那这个波满足什么方程呢?它的行为由什么决定呢?没有方程,就不是正经的物理学。


而这个时候正式薛定谔用心去研究这个方程。


几经周折,薛定谔通过假期搞出了第一版方程,紧接着在1926年发表了四篇论文,最终提出了量子力学的波动方程。


01 光是波的实验证明


为什么物理学家相信光是一种波,原因第一,麦克斯韦方程解出来电磁波的速度正好等于光速。所以,我猜光就是波。原因第二,实验证明呗。


实验证据:托马斯杨的“双缝干涉”实验


杨的实验,用的是蜡烛作光源,在遮光板中间开了两条缝隙(缝隙非常小,要和可见光的波长相当才行),烛光经过之后,打开后面的屏幕上,会形成一片非常漂亮的条纹:明暗相间,循环多次,规则分明。


什么是光的干涉?


当一个水波经过两个孔之后,会在水面上形成两个水波,水波有波峰波谷,波峰与波谷抵消。而光波也是一样,屏幕上的条纹,亮的地方是两个波波峰的叠加,而暗的地方相对抵消,这就叫两个波的“干涉”。


你看,光的的干涉实验已经很清楚的证明了,“光就是波”。


但是,黑体辐射和光电效应又说,光是粒子!那么光到底是什么?


然而,问题往往会诞生出智者,而大问题会诞生伟人。


这时候,一位年轻人提到一个统一的物质“波”理论!他就是开篇提到薛定谔解读那片论文的作者——路易*德布罗意。


当时德布罗意在读博士的期间学习了相对论,了解了光量子学说,并自己参与了光电效应的实验,他还知道波尔原子模型的电子怪异行为。




02 电子是什么?



(德布罗意,图片来源网络)

1924年,德布罗意写了自己的博士毕业论文,这篇论文只阐述了一个思想:所有的物质(电子、质子中子...)都有波动性。


但是当时的评审委员会觉得这个说法不靠谱,就把论文寄给了爱因斯坦,当时爱因斯坦收到这个观点也很惊奇,但他并没有排斥。爱因斯坦说,也许德布罗意揭开了大幕的一角。


虽然评审团经过爱因斯坦的评论接受了德布罗意的观点,但他们还是强烈要求德布罗意通过实验证明。


可是电子、中子这类物质做杨氏双缝实验特别难,因为实验要求缝隙的尺寸必须和这些粒子的波长相当,而一个粒子只要有质量,他的动量就远远大于光子,那么它的波长就要比光子都要短,这咋搞?


德布罗意想到用晶体散射来试试。


因为晶体的结构尺寸非常小,就能和电子的波长类比,所以在1927年就有人把它给做成了!下图所示。


(图片精英日课)

1929年德布罗意获得诺贝尔物理奖,留名青史!


所以,电子也是波啊


那这么说,电子和光子就是一回事,任何物质都有波的一面。



03 奇怪的实验



1961年,物理学家终于用电子做成了杨氏双缝实验。但是当他们每一次只发射一个电子,当这个实验测试次数增多的时候,屏幕上也反正了干涉条纹。

等等,怎么一个电子会发生干涉呢?


(图片精英日课)

自己和自己干涉?


但是自己和自己干涉也是一个电子和一个电子干涉才行呀。难道这个电子有分身术吗?


这部分我们后续再谈。


总结:


物理学的发展总是对宇宙的现象进行系统性的解释,从万有引力到相对论,再到量子力学波函数。


总是以小见大,以大衬小,包罗万象。


而在这个过程背后,有无数英雄人物的付出与实践。


最后,祝大家节日快乐~


端午节快乐


端午节,又称端阳节、重午节、午日节、龙舟节、正阳节、浴兰节、天中节等,是中国民间的传统节日。


Masir 祝大家端午节快乐!





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