这是从上周在苏图借到的《欣赏物理学》(王泽良编著，同济大学出版社）这本小书开始的。书中讲到关于光的本质的争论，叙述了微粒说和波动说的消消涨涨，最后总结到：
光的波粒二象性乃至整个微观世界的波粒二象性，使这场争论有了完美的双赢结果，但却使物理学陷入了深深的迷宫。
为什么波粒二象性是完美的双赢结果，又使物理学陷入了深深的迷宫？这是问题一。
同时，我也不太明白波粒二象性这个概念。波应该是一种物质运动形式，微粒则是实实在在的物质。说光具有波粒二象性，是不是说光同时可以是波，同时也是微粒（光子）？也就是我们向让光是波的时候，它就是波；向让它是微粒的时候，它就是光子？物质和物质的运动形式可以相互转化吗？
在历史上，还有一场比较著名的争论是关于热的本质的：热究竟是热质（热子？）还是物质的运动？最后的定论是热是运动。对比光的本质，热的本质是不是太简单了些？为什么热没有向光一样"二象性"呢？
所有的这些理论不过是对我们所观察世界的一种解释。当一种理论能成功解释已知的所有现象时，这种理论就被我们接受。但是，这个世界真的就按照我们想象的样子运行吗？
以上问题肯请看到这个帖子 Chen Bo 老师并其他大大的拨冗释疑 :P
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每一个不曾起舞的日子都是对生命的辜负。
这个问题太复杂。
ReplyDelete“所有的这些理论不过是对我们所观察世界的一种解释。当一种理论能成功解释已知的所有现象时，这种理论就被我们接受。但是，这个世界真的就按照我们想象的样子运行吗？”
上面一段，有三句话。前两句话应该很容易取得一致认识。第三句话稍为修正一下：世界按照它自己的规律运行，人们对它的认识只是越来越接近真实。
判断一个理论的好坏，我认为，一般有两个方面，一是它是否接近并能“预测”真实。二是审美的需要，即它是否简单和谐（借用了一个流行词）。
先说热子，或者现在已经被批得一塌胡涂的“以太”。这些理论都可以解释一些现象。但是不够简单。我觉得自然世界应该是足够简单的，不像人类社会那样具有多面性。所以，我们没有必要多余的引入一个叫“以太”的东西。同样，热作为一种运动形式就已经足够可以解释相应领域的自然现象了，又何必多此一举再引入热质/热子呢？
再回到光的波粒二象性。我觉得它并不是一种折衷，不是一种两面妥协。因为有了光的波粒二象性理论之后，所有以前不好解释的现象都可以得到解释。它是简单的。比引入其它各种理论或者媒介或者假设更简单更和谐。或者我们可以这样想：所有现有的理论都是一些假设（假设集合），一种物理理论好不好，就看它所依赖的其它前导假设是多还是少。光的波粒二象性理论依赖了最少的前提假设。
剩下的，就是我们这些凡夫俗子如何去理解光的波粒二象性了。实话说，我理解它也是很费了一翻功夫。就像理解相对论一样。
按照这个理论，光在任何时刻都是同时有波性也有粒子性的，只是有时候波性表现得明显，有时候粒子性表现得明显？取决于所处的环境（所研究时的状态、边界条件等。但并不是说在表现波动性时就没有粒子性了），我们对它的理解产生困难，就在于先入为主的想当然地觉得波动性和粒子性有矛盾，两者不能共存。
其实波动和粒子真的是水火不能相容吗？就像我们说一个苹果，它是红色的又是富含VC的，那么，红色和富含VC，这两个属性彼此互斥吗？只是在不同的应用场合我们各取其不同属性，比如考虑到摆放苹果的方式和位置，我们要考虑到外观颜色搭配，说它是红色的；考虑到营养均衡时，说它富含VC。
那么波动与粒子的强烈争论以至于让人觉得它们互斥，缘何？我觉得是对光的本性认识的历史过程遗留下来的，尤其是我们现在的光学史教学总是津津乐道它，让人觉得这两个属性是战争的双方。
那是因为我们的认识能力不够。现在应该到了一步到位直接认识光的本性的时候了。就是干脆不去计较曾有过的争论。并且，不仅光，实物粒子甚至宏观实物也都是波粒二象性的。
实物与场都是物质存在的形式，可以说爱因斯坦质能方程对此做了一个统一（顺便说一句，该方程是如此简明和谐，简直可以说是完美。剩下的就是我们如何去理解它了）。光也是物质存在的形式，它没有静质量，但有动量有能量。它也可以看成是电磁场相互作用时交换的介子（康普顿效应）。这些理论之间都是互洽的。试想，如果引入热子，那热子具有哪些性质？同样的厄运发生了以太身上。只不过以太生命力更顽强一些，更为人所熟知。以太顽强的生命力归功于光子的神秘性。
上面是我随便想到的一些。其实有关的科普，在网上或者已出版的，都已经不少了。
ReplyDelete有一句话据说是献给量子力学的：“你不需要去理解它，只需要去适应它”。可能同样的适合于光的波粒二象性。
所以那些“适应”了的人去写科普，往往就很是不理解那些“尚未适应”的人：这有什么不好理解的呢？
就象骑自行车和游泳。会的人总是不理解那些不会的：这有什么难的？
但你要他说出一个子丑寅卯来，以便人人都学而“适应”之，好像又比较困难了。
所以说，有时候学物理需要一种悟性，哈哈，比较玄乎了。
ReplyDelete现在再回头看你的问题：“波应该是一种物质运动形式，微粒则是实实在在的物质。”注意是波动性和粒子性，是属性，讲的都是光的存在形式，或者说它的运动形式（因为光不可能静止，呵呵）。
ReplyDelete物质的运动形式可以相互转化，这个不用多说了吧。但不是说波动性和粒子性在这里相互转化。
如我前面所说，光同时既是波又是粒子，并不是你想让它是什么就是什么（它可不那么听话，他走他自己的路，让人们去说吧），而是它的表现形式可以用波动性也可以用粒子性的理论去解释。两者并不矛盾的。
问题一的回答，其实这个迷宫在量子场论下，已经没有什么迷可言了。只是费解而已。
解释相当详尽，多谢！其实看其他的科普也是可以的，那那都是一些够不到的人，没有交流的乐趣 :P
ReplyDelete在写这篇帖子的时候，我其实很看不起人类：凭什么为自然设定这么多解释和框框？自然就是自然！其中许多语气其实都是基于此而发出的，这个只是我的一己偏见，一笑即可。
看了陈Sir的回复后，我对光的新认识概括为：光是有光子组成的，光的运动在宏观上是直线的，但在量子级别则是波动的。
这样一来，从我这里看，光的波动性和粒子性并不能类比成苹果的红色和富含VC。
这个理解和你的解释还是有很大差距：你说波动性和粒子性都是属性，但粒子怎么会是一种属性呢？粒子又怎么可能是一种运动形式？
综合的看一下声、光、电、磁、热这五种现象，电和磁所依赖的电子由汤姆逊的阴极射线管实验发现，光子则由光电效应发现，厚脸皮的说一句：声子和热子没有被发现，是因为声x效应和热x效应没有被发现 :P
说到声子我又想到写帖子是想到但忘了说的声的本质，根据周星驰在《九品芝麻官》里的不懈努力，成功的完成了利用声音将弯曲的铁棒搞直的实验，表明声音也是波粒二象性的。
关于理解和适应，我觉得我还是倾向于理解，起码是便适应便理解。理解和适应在我这里都不可能一步到位。
问题一的补充：其实少了一问，这是个什么样的迷宫？目前我对量子场论还没有什么认识，不过不要囿于这一限制，尽管按照你的理解去说。
有声子之一说的。只是我没有具体去看是怎么回事，不能作评论。
ReplyDelete光：粒子性当然是属性了，你可以理解为“像实物粒子一样的存在形式”。这是属性吗？你学过VC++的，呵呵，和那里的属性是一个意思，我想。
但是它不同于实物粒子的地方，就在于没有静止质量。你这样去设想吧，有一个粒子，它忽然就没有了静止质量，但是能量还在（能量守恒，这是宇宙的基本规律之一。另外，“凭什么为自然设定这么多解释和框框？自然就是自然！”，不是这个态度，人对自然要敬畏，自然不是以人所设定的规则去运行的，它在那里客观存在着，渺小的人类不过是试图了解其规律而已。狂妄自大，以为能掌握其全部规律以至于人定胜天，最终的结果是被“自然”嘲笑），你想，这个粒子会如何？它必定会动起来，并且其实就是光子的运动形式。
电磁辐射也是光子。电磁相互作用是通过交换光子来完成的（所以不是超距作用）。你对光的“新认识”还是在试图理解它而不是适应它，并且这认识并不是我所期望的结果，我已经说过，光子时刻都既是波又是粒子，不是说“在宏观上是直线的，但在量子级别则是波动的”（按你的说法，好像宏观上就不是波动的了，量子级别就不是粒子的了？）无论是在宏观上还是在微观上，你把它当成波和粒子处理，得到的结果是一样的。光的波粒二项性不是一种折衷的结果，不是两边和稀泥。
《九品芝麻官》我没看过，呵
我订你这篇文章的评论的RSS。看你还有什么问题？不能保证我的回复比较科学和完整。我只能说经过这几年，我已经“适应”了，可能还不一定“理解”它。呵呵
哈哈，感谢订阅本文 RSS :P
ReplyDelete说说我对光的波粒二象性的新认识，详细点。我上次说的有些简单了： 光由光子组成，光子以波的形式运动。我之所以说宏观上是直线，是因为在宏观尺寸，这种波动观察不到，可以忽略不计，是为了和一般观察到的光走直线统一认识；而在量子级别，我们就可以观察到这种波动性：但不管是微观还是宏观，我都人为光子以波的形式前进。
我发现我目前能做的理解就是这样了，再提高需要新知识，因此打算去“适应”先。
我能想到的可能也就这些吧。另外光子是玻色子，也就是说你可以理解为在某一个空间可以有许多个光子存在。这不像实物粒子是排它的。
ReplyDelete发现你的博客名又不是光明之门了，成了风行？