1小时科普量子力学/理解科学丛书

作者简介

朱梓忠，厦门大学物理系教授。1989年在复旦大学获博士学位。美国新泽西州立大学博士后，美国依阿华州立大学和能源部阿莫斯实验室博士后。日本东京大学、香港科技大学和台湾大学访问学者。长期从事基于量子力学基本原理的计算凝聚态物理学研究工作。主持过“863”项目子项目和多项国家自然科学基金项目，发表学术论文200多篇。目前参与两项国家重点研发计划。

内容简介

在讨论了光的波动 —粒子二象性之后，我们来看一个非常重 要的概念，那就是所谓的“单光子干涉”。1909年，泰勒做过一 个实验，他把入射光束衰减到非常弱，弱到每次不可能有多于一 个光子同时通过仪器。由于光束非常弱，在经过三个月的曝光后， 泰勒发现他得到的干涉条纹与短时间的强光通过仪器时得到的图 像相同（图 3.19）。这就是所谓的“单光子干涉”。这个结果意味着， 干涉现象并不是由多个光子的相互影响而产生的，而是由一个光 子自己与自己干涉而出现的。在这个实验中，由于每次不可能有  多于一个光子通过双缝，所以，这个实验表明，光子实际上是从 两个缝同时通过的！这是一个非常难以想象的图像，是希望理解 量子力学时会遇到的非常基本的一个“挫折”。基于对这一“挫折” 的思考，有其他一些关于量子力学的解释得以提出（例如多世界 解释）。但是因为本书篇幅的缘故，我们不会讨论这些高深的理 论。笔者建议，不要过多思考“光子为什么会同时从两个缝通过？” 其实我想“霸道地”说，先接受这个事实就是了，在你成为一个 成熟的物理学家之前，接受这个事实好了。 单个光子或单 个电子为什么会 同时从两个缝通 过？这是目前量子 力学正统解释的要 求，接受这个解释 好了。 图 3.19 单光子干涉图样：从 (a) 到 (d)，光子数不断增加 光子是一个静止质量为零的粒子，所以我们或许可以说，光 子出现波粒二象性是可以“忍受”的。那么，一个静止质量不为 零的粒子的情况又是如何的呢？下面，我们将重点说明电子的波 粒二象性，其他静止质量不为零的粒子的波粒二象性是类似的。 最初，薛定谔提出波动方程并应用于氢原子时，薛定谔方程是用 来处理电子而不是光子的。所以，那些静止质量不为零的粒子的 波粒二象性也是非常重要的。 大量的实验表明，像电子等静止质量不为零的微观粒子，其 波动性和粒子性也是可以非常明显的。 1925—1927年，戴维孙 （C J Davisson，曾译为戴维逊）和革末在位于纽约的一个实验室 55  里用电子束轰击一块金属镍，发现被镍块散射的电子，其行为和 X射线衍射一模一样，从而验证了电子衍射。 1927年，小汤姆 孙在剑桥也通过实验进一步证明了电子的波动性。 1961年，克 劳斯·约恩松用电子做双缝干涉实验，他发现电子和光一样也会 有干涉现象。2002年 9月，约恩松的这个双缝实验被《物理世界》 （Physics World）杂志的读者评选为最美丽的物理实验。1974年， 梅利在米兰大学的物理实验室里，成功地将电子一粒一粒地慢慢 发射出来（即单电子干涉实验，可以类比前面的单光子干涉）。 在侦测屏障上，他也确实观测到了像光一样的干涉现象。从而直 接证明了电子具有波动性。我们看到，无论是光子还是电子，干 涉现象都是由一个一个的光子或电子自己与自己发生干涉的。在 双缝实验中，光子或电子都是从两个缝同时通过的（图 3.20，正 如单电子或单光子干涉所显示的那样），并没有发生一个粒子每 次只从一个细缝通过的现象。这当然是非常难以直观地理解的。 图 3.20 电子同时通过双缝 前面已经谈到， 1897年，J J 汤姆孙通过观测阴极射线在磁 场和静电场作用下的偏转而发现了电子，明确显示的是电子的颗 粒性。 1927年，J J 汤姆孙的儿子 GP 汤姆孙在剑桥通过实验进 一步证明了电子的波动性。实验得到的电子衍射图案和 X射线 的衍射图案相差无几。就这样， J J 汤姆孙因为发现电子而获得 诺贝尔奖，而他的儿子因为发现电子是波动的也获得了诺贝尔奖。  也可以说，老汤姆孙和小汤姆孙分别因发现了电子的粒子性和波 动性而获得诺贝尔奖，这样的历史是非常有趣的。电子的粒子性 是非常明显的（例如散射现象），加上实验发现的波动性，显然 电子确实可以有明确的波粒二象性。以上的讨论显示，无论是光 子还是电子，都可以显示粒子 —波动的二象性。实际上，电子的 双缝干涉实验与光子的双缝干涉实验的本质是一样的，要告诉我 们的东西也是一样的。对于除了电子之外的实物粒子， 1929年， 施特恩（ Otto Stern，曾译为斯特恩）等成功地利用了氢、氦等 分子束实现了在单晶点阵面上的衍射实验。之后，也陆续观察到 了中子束和 α射线等通过晶体时的衍射图像。甚至是 C60和 C70 这样的原子团簇，也被发现可以产生明确的衍射图样，从而说明 了具有波动性。这些实验都有力地证明了不仅是电子，其他微观 粒子也会产生像光那样的衍射现象，也证实了一般粒子的波粒二 象性。 在这1小时里，你除了可以了解量子力学的发展历史外，还可以了解各种奇妙的量子力学效应，也可以看到物理学大咖们的轶闻趣事。