普朗克在研究黑體輻射現(xiàn)象時,假設黑體吸收和輻射的能量是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份能量為E=hν,這一份能量稱為(能)量子,從而成功解釋了黑體輻射現(xiàn)象。從此開啟了量子力學的大門。
愛因斯坦在解釋光電效應時,認為光的能量也是不連續(xù)的,而是一份一份的,這一份能量稱為(光)量子,也稱為光子,光表現(xiàn)出具有粒子的性質。
波爾也用量子假說成功解釋了氫原子光譜現(xiàn)象。
之前惠更斯研究發(fā)現(xiàn),光是一種波;麥克斯韋研究發(fā)現(xiàn),光是一種電磁波,稱為光波,是電場和磁交替激發(fā)形成的波動。而愛因斯坦在解釋光電效應時發(fā)現(xiàn),光表現(xiàn)出具有粒子的性質(一份一份的)。
象光這樣,同時表現(xiàn)出波動性和粒子性,稱為波粒二象性。
德布羅意將其推廣后認為,微觀粒子不僅是一個一個的粒子,同時還具有波動性,也具有波粒二象性,以此可解釋電子的散射和衍射現(xiàn)象。
量子力學認為,光和微觀物質都具有波粒二象性。其能量和動量分別為愛因斯坦—德布羅意關系:
但是,光和微觀物質同時表現(xiàn)出波動和粒子的性質,讓人們覺得很奇怪甚至難以接受,這也是量子力學在早期爭論的問題。人們對波粒二象性產生過各種各樣的景象描述,但是至今量子力學對此仍未有明確的描述,只說“這是微觀物質特有的性質”。
很多科學家經過百年的努力,以此為基礎發(fā)展起來的量子力學理論,仍是問題最多爭議最大的物理理論,很多問題遠沒有得到解決。
現(xiàn)在應該拋開書本上原有的所有一切,跟隨我一起,從頭重新思考波粒二象性。
光是電磁波,電磁波已由麥克斯韋方程描述得很清楚了,光也具有波粒二象性。那么光子就是光波本身,因為,并非有一個另外的光波伴隨著(或引導著)光子,光子的速度也就是光波(電磁波)的速度,光波(電磁波)是真實的物理存在,它就是電場和磁場在空間中交替的波動(就是場的波動)。
電磁波沒有別的含義,就用電磁波本身就能完全描述清楚,并不是為了研究方便才引入的這個波,也沒必要再引入另外一個波函數(shù)來描述光波(電磁波)了。這個電磁波沒有幾率的含義,也不用作其它的解釋,也沒有什么隱變量。
但量子力學在研究物質波(其實當時研究的對象是電子)時,就引入了一個波函數(shù)來描述物質波。這個波是什么?是什么東西在波動?這個波函數(shù)的意義是什么?這個問題,從量子力學誕生起,就讓物理學家思考爭論了一百年。
現(xiàn)在將光和物質波進行對比,光具有波粒二象性,微觀粒子也具有波粒二象性。光已經研究得很清楚了,但遇到微觀粒子,怎么就出問題了呢?
對比就可以看出來,量子力學要解決的問題,只要把那幾個“?”搞清楚,量子力學的問題就解決了,思路也就出來了。
可看出,物質波和光波一樣,也是真實的物理存在,也是物質本身。光波是電場和磁場在空間中交替的波動(就是場的波動),那么,物質波也是場的波動!
那么就從思考場和能量入手,思考電磁波的電場E和磁場B的能量,就會發(fā)現(xiàn),各種能量密度表達式是已知的知識,是大自然的秘密所在,都是類似于動能的形式。
動能:質量與速度平方之積的一半;
電場能:介電系數(shù)與電場強度平方之積的一半;
磁場能:磁介質系數(shù)的倒數(shù)與磁感應強度平方之積的一半
為了下文的描述,我用能量作用場和能量作用量來統(tǒng)一稱呼其中的兩個量。電場能、磁場能、振動能、熱能、動能的能量密度和能量作用場遍及的空間的總能量都是這樣的形式,都可以統(tǒng)一描述成:
能量密度:能量作用量與能量作用場模方之積的一半;
總能量:能量作用量與能量作用場模方之積的一半,在能量作用場遍及的空間中的累積(積分)
將上述能量密度表達式中的平方因子Φ稱為能量作用場,常量系數(shù)M稱為能量作用量。
這個場是怎么引起波動的呢?我們來分析電場和動能的情況,就能夠找出了微觀粒子具有波動性的原因。
有一能量作用場在一定空間區(qū)域內與其相應的能量作用量產生的能量形成一勢壘。下面以電場和動量場為例來說明另一相同(或不同)能量作用場與勢壘的關系。
(1)電量為Q的電荷在空間形成一電場勢壘(“勢壘貫穿”是量子力學中討論的典型問題)。
另一電量為q(q<>
圖中A、B兩區(qū)電場變強,C區(qū)變弱,這相當于q的電場穿過勢壘到達A區(qū),部分被勢壘反射回B、C兩區(qū)后的疊加效果,只是此時對勢壘來說q的電場是“負”的。
Q→∞(或Q >>q)時,勢壘無限高,此時q的電場不影響Q的電場分布,就是說電場不能穿過無限高電勢壘,而全部被反射回去。無限高勢壘起到屏蔽外場的作用。
(2)用兩球的碰撞現(xiàn)象可討論動量場(或速度場)在動能勢壘中的貫穿。兩球M和m的速度分別為V和v,且M > m,M球的動能大于m球的動能,則M球形成一勢壘,當兩球同向相碰時,V增大,v減小或反向。
當兩球反向對碰時,V相對于勢壘是“負”的,碰后V減小,v減小或反向
兩種情形都相當于小球的動量場(或速度場)穿過了勢壘,部分被勢壘反射后與原來的場疊加。當M→∞(或M >> m )時,碰后m球全速反彈,并不影響M球的動量,這相當于動量場不能穿過無限高動能勢壘。當具有初動能的振子在動能勢壘中運動時就被阱壁來回反彈,其動量的大小和方向周期性變化,振蕩而形成駐波或行進波。
兩高勢壘間有一低勢壘就形成勢阱,如帶電的導體盒(金屬中的電子就是這種情形)。運動電荷在勢阱中運動時,其電場就會在勢阱中來回反射形成振蕩駐波,相當于諧振腔。若當勢阱有限深時,振蕩電場穿過阱壁形成行進波,在無場區(qū)形成平面波。微觀粒子在未發(fā)射時是處于在周圍物質形成的勢阱中運動,因此它產生的能量作用場就振蕩形成波動,發(fā)射后形成平面波。這就是量子力學中“微觀粒子具有波動性”的原因。
在此基礎上,可以建立起量子力學唯一的一個物理模型:
能量作用場形成波動,它就是波函數(shù)。
從這個物理模型出發(fā),所得出的每一個結論就都有明確的顯而易見的物理意義。
有了這個物理模型,現(xiàn)在就把一質量為m的振子在寬為半波長的無限深動能勢阱中以頻率ν作周期性振蕩。動量波形成一個波長為λ0的波包。
引入一個基本假定:
光速、質量、波長的乘積為普朗克常數(shù)h
設振子動能不變,且v0=λ0ν0,c=λν,則得
(1)光波的能量和動量:
即光波的愛因斯坦—德布羅意關系。
(2)物質波的能量和動量:
即普朗克常數(shù)h在任何慣性系中均為常量,又因
則得物質波的愛因斯坦—德布羅意關系式:
因普朗克常數(shù)h數(shù)值很小,在宏觀上波長λ很小,故表現(xiàn)不出波動性,除非質量很小(如電磁波)。
再來考慮振子從阱壁上獲得動能而使頻率增加。在波動中,我們已經知道,只有駐波才能穩(wěn)定地存在(不漂不散),但要形成駐波,則波包數(shù)必須是整數(shù)個。即得駐波條件:
后一式子是索末菲的量子化通則,適合于非均勻場。
在愛因斯坦—德布羅意關系式里,就看到了量子的第一個特征——普朗克常數(shù) h ;在駐波條件里,就看到了量子的每二個特征——量子數(shù) n 。
如果勢阱寬度 l為?λ(即一個駐波波包的長度),則振子吸收能量后形成n 個波包時的波長由駐波條件得:
代入愛因斯坦—德布羅意關系式,那么就可得到:
即是說:振子的能量和動量只能以整數(shù)倍改變,頻率也以整數(shù)倍改變。
就是說,能量只能一份一份地發(fā)射或吸收,這就是能量量子假說的實質,這是普朗克在研究康普頓效應時首先發(fā)現(xiàn)的。這可看作是愛因斯坦—德布羅意關系的推廣。
微觀粒子在未發(fā)射時都可以看成是處于周圍物質形成的勢阱中,因此只要有能量就會形成振蕩駐波,并吸收或輻射能量子(以光子的形式)。當粒子發(fā)射后形成自由粒子,并以一定頻率形成向外傳播的行進平面波,攜帶一定的能量和動量。故波動性是微觀體系的普遍現(xiàn)象。
德布羅意物質波揭示了微觀物質世界具有波動性的事實,從此開創(chuàng)了量子學時代。
光是電磁波,即光是由波動的電磁場構成的。光也具有波粒二象性,那么光子就是光波本身,并非有一個另外的光波伴隨著(或引導著)光子,光子的速度也就是光波(電磁波)的速度,光波(電磁波)是真實的物理存在,它就是電場和磁場在空間中交替的波動(就是場的波動),就用電磁波本身就能完全描述清楚,并不是為了研究方便才引入的這個波,也沒必要再引入另外一個波函數(shù)來描述光波(電磁波)了。這個電磁波沒有幾率的含義,也不必要作其它的解釋。
自由空間的波,也是波源(原子核外的電場)發(fā)出的,在自由空間,是無場區(qū),它的駐波波包波長變長了,占據(jù)的空間反而寬廣了,扁平化了,就過渡為了平面波,如真空中的電(子)和光。
模仿光是一種波,和愛因斯坦的假設,德布羅意推廣了該假設,認為物質也有波。我認為物質波應該是客觀存在的真實的波。原來說明不清楚衍射的怪現(xiàn)象,就硬說它也是幾率波。“質點”的概念是簡化研究宏觀物體而引入的假想模型,在微觀世界中,我們把它看作是一個點,它也小得真象是一個“點”,就是通常說的“粒子”。但宏觀物體的波動性不明顯,我們又對它摸得著看得見,對它很熟悉,把它看成什么都不會錯。
對微觀世界就不一樣了,我們對微觀世界的認識可以說是很陌生的,速度又很快,波動性又很明顯,我們真的不能再把它看著是一個點了。若把這個波看作是一個點的“粒子”,那么這樣的簡化就太草率了,使我們不能認識到它的全貌。
光和微觀物質,都具有波粒二象性。這個波不是幾率波,而是真實的物理波,它就是場的波動,是場形成的駐波波包,它是有體積有大小的,就象一個一個的粒子,但不能把它當作一個點。
我早在1991年上大學時就已寫成新量子力學論文《波函數(shù)的場意義》,于1992參加了中國科學院主辦的“紀念德布羅意誕辰一百周年暨量子物理學史學術研討會”,并在會上宣讀,初稿收入此次會議的論文集。
敬請大家閱讀完整論文《波函數(shù)的場意義》,并提出廣泛意見和質疑!謝謝! https://www.toutiao.com/a1600973970217037