期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
离奇而迷人的量子物理学:人类也是一种波(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】(就像其他任何波一样,利用光进行的双缝实验会产生干涉图案。认为不同颜色光的属性与不同颜色的单色光波长有关。颜色越红,波长越长,能量越少,
(就像其他任何波一样,利用光进行的双缝实验会产生干涉图案。认为不同颜色光的属性与不同颜色的单色光波长有关。颜色越红,波长越长,能量越少,而干涉图样越广泛;颜色越蓝,波长越短,能量越高,而干涉图中的极大值和极小值聚得越紧密。)
如果将一个光子发射到有两条狭缝的障碍物上,可以测量该光子撞击屏幕时另一侧的有效距离。如果把这些光子依次单个相加,就会出现一种干涉模式。假设许多不同光子相互干扰,当通过这种设备单个依次发射光子,出现连续光束时,会发生同样的模式。不知为何,单个光子会相互干扰。
通常,围绕该实验的讨论与各种实验装置有关,这些实验装置用于测量(或不测量)光子通过的狭缝,在这个过程中破坏或维持干涉图案。该讨论是探索量子双重性质的关键部分,因为它们既能表现为波,也能表现为粒子。表现形式主要取决于交互方式。实验时可以用大质量的物质粒子代替光子,也能达到同样的出色效果。
(电子的波状属性与光子一样,可以像光线一样用来构造图像或探测粒子大小。(在某些情况下,甚至可以做得更好。)这种波状特性适用于所有的物质粒子,甚至包括复合粒子和理论上的宏观粒子。)
最初,你可能会这样想:“光子既可以作为波,也可以作为粒子,但那是因为光子是辐射的无质量量子。它们有波长,这解释了类波表现,但它们也有一定的能量,这又解释了类粒子表现。”你可能会认为,物质粒子具有质量,携带能量,且从字面意思上定义为粒子,所以它们总是以粒子形式表现。
而上世纪20年代初,物理学家路易斯·德·布罗意(Louis deBroglie)提出了不同的观点。他指出,对于光子来说,每个量子都有一个能量和一个动量,这与普朗克常数、光速以及每个光子的频率和波长有关。物质的每个量子也有一个能量和一个动量,也具有同样的普朗克常数和光速值。
通过和光子同样的方式重新排列这些术语,德布罗意能够为光子和物质粒子定义一个波长,即用普朗克常数除以粒子的动量。
(当电子发射到目标上时,它们会以一定角度衍射。测量电子的动量能够确认它们以类波还是类粒子形式表现。1927年,戴维森-格默实验对德布罗意的“物质波”理论进行了第一次实验证实。)
数学定义有其道理,但想要真正检验物理概念还需进行观察和实验:预测必须与对宇宙本身的实际检验进行比较。
1927年,克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和莱斯特·格默(Lester Germer)向一个产生过光子衍射的目标发射电子,结果产生了相同的衍射图案。与此同时,乔治·佩吉特(George Paget)向薄金属箔发射电子,也产生了衍射图样。不知何故,作为物质粒子的电子本身,也表现出波的属性。
随后的实验揭示了具有该波状行为的多种不同形式物质,包括比点电子复杂得多的形式。诸如质子和中子的复合粒子也表现出此类波状行为。可冷却至纳米级温度的中性原子证实了德布罗意波长大于一微米,约是原子的万倍。即使有2000个原子的分子也显示出波的性质。
(2019年,科学家们实现了有史以来最大分子的量子叠加:一个拥有超过2000个单个原子叠加成总质量超过个原子质量单位的分子。这说明了在实验中使用的大分子的离域。)
大多数情况下,当一个典型粒子(或粒子系统)的动量足够大,会导致与之相关的有效波长太小而无法测量。以每秒1毫米的速度运动的尘埃粒子的波长大约是10^-21米:约比人类通过大型强子对撞机探测到的最小波长还要小100倍。
而一个以同样速度运动的成年人的波长仅有10^-32米,或仅比普朗克尺度大几百倍。在这个长度尺度上,物理学不再有意义。然而,即使一个成年人约由1028个原子如此大的宏观质量构成,整个人体所相关的量子波长已足够具有物理意义。事实上,对于大多数真实粒子来说,只有两件事决定波长:
· 静止质量
· 移动速度
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0210/1443.html