什么是光的波粒二象性

光的波粒二象性是指光既具有波动特性，又具有粒子特性。科学家发现光既能像波一样向前传播，有时又表现出粒子的特征。

1924年法国物理学家德布罗意大胆提出，一切微观粒子都具有波粒二象性。后来人们果然做成了电子、质子、中子的干涉、衍射实验。有力地证实了微观粒子也具有波粒二象性。

发现历史

19世纪60年代，麦克斯韦在研究电磁场理论时，预见了电磁波，并根据电磁波与光波的相似性提出，光是一种电磁波，即光的电磁说。20多年后赫兹用实验证实了电磁波的存在，成功地做了电磁波反射、折射、干涉、衍射、偏振的实验，有力地证明了光是一种电磁波。但光的电磁说在解释光电效应时遇到了困难。

爱因斯坦在普朗克量子论的基础上提出了光子说，即光也是不连续的、一份一份的。每一份叫一个光子，光子的能量与频率成正比。光子说成功地解释了光电效应现象。这两种学说使人们对光有了进一步的认识。即光既具有粒子性也具有波动性。

在双缝干涉实验中，让光的强度减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝，若曝光时间不长，这时照相底片上出现无规则分布的点，可见此时光显示粒子性。若曝光时间足够长，底片上就出现有规则的干涉条纹，可见大量光子显示波动性。所以光具有波粒二象性。

百度百科——光的波粒二象性

说明两类人都是一样的二极管，听不见任何反对的意见。

意思就是说，这些人有时候反国家反政府，把自己fw的原因全都怪到国家身上去，有的时候又疯狂爱国，喝水呛到了都觉得是有外国间谍要害他。

有个词叫“神兔二象性”，指的是一个人在极度的粉红与极度的媚外之间迅速转变。这其实不难理解，背后的共同点都是一样，就是这个人很缺乏独立的个人的内在价值，所以急需要一个标签化的群体的帽子给自己戴着，刚开始他觉得我们东亚大陆可太厉害了，于是自己也跟着牛逼哄哄。

总结：

但是，后来有一天他就会突然挨了铁拳或者出墙看到了差距，于是他就从极度的自信转变为极度的自卑，然后急忙扔掉旧帽子再捡起一个新帽子给自己戴上，新帽子可以是任何一个让他觉得能带给自己集体荣誉感的身份：

比如精神日本人、精神美国人、精神德三人、甚至是精神罗马人。但归根结底都没有什么不同。

波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。

在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。

编辑本段“波”和“粒子”的数学关系

物质的粒子性由能量 E 和动量 p 刻划，波的特征则由电磁波频率 ν 和其波长 λ 表达，这两组物理量的比例因子由普朗克常数 h（h=662610^-34J·s） 所联系。

E=hv , E=mc^2 联立两式，得：m=hv/c^2(这是光子的相对论质量，由于光子无法静止，因此光子无静质量）而p=mc

则p=hv/c（p 为动量）

编辑本段历史

在十九世纪末，日臻成熟的原子理论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的粒子——原子构成。比如原本被认为是一种流体的电，由汤普孙的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成。因此，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。而与此同时，波被认为是物质的另一种存在方式。波动理论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。由于光在托马斯·杨的双缝干涉实验中，以及夫琅和费衍射中所展现的特性，明显地说明它是一种波动。

不过在二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。1905年由阿尔伯特·爱因斯坦研究的光电效应展示了光粒子性的一面。随后，电子衍射被预言和证实了。这又展现了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。

这个波与粒子的困扰终于在二十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓波粒二象性。它提供了一个理论框架，使得任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。量子力学认为自然界所有的粒子，如光子、电子或是原子，都能用一个微分方程，如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数，它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性，即，它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时，波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。

之所以在日常生活中观察不到物体的波动性，是因为他们的质量太大，导致特征波长比可观察的限度要小很多，因此可能发生波动性质的尺度在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之，对于基本粒子来说，它们的质量和尺度决定了它们的行为主要是由量子力学所描述的，因而与我们所习惯的图景相差甚远。

编辑本段惠更斯和牛顿，早期光理论

最早的综合光理论是由克里斯蒂安·惠更斯所发展的，他提出了一个光的波动理论，解释了光波如何形成波前，直线传播。该理论也能很好地解释折射现象。但是，该理论在另一些方面遇见了困难。因而它很快就被艾萨克·牛顿的粒子理论所超越。牛顿认为光是由微小粒子所组成，这样他能够很自然地解释反射现象。并且，他也能稍显麻烦地解释透镜的折射现象，以及通过三棱镜将阳光分解为彩虹。

由于牛顿无与伦比的学术地位，他的理论在一个多世纪内无人敢于挑战，而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。直到十九世纪初衍射现象被发现，光的波动理论才重新得到承认。而光的波动性与粒子性的争论从未平息。

编辑本段费涅尔、麦克斯韦和杨

十九世纪早期由托马斯·杨和奥古斯丁-让·费涅尔所演示的双缝干涉实验为惠更斯的理论提供了实验依据：这些实验显示，当光穿过网格时，可以观察到一个干涉样式，与水波的干涉行为十分相似。并且，通过这些样式可以计算出光的波长。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在世纪末叶给出了一组方程，揭示了电磁波的性质。而方程得到的结果，电磁波的传播速度就是光速，这使得光作为电磁波的解释被人广泛接受，而惠更斯的理论也得到了重新认可。

编辑本段爱因斯坦和光子

1905年，爱因斯坦对光电效应提出了一个理论，解决了之前光的波动理论所无法解释的这个实验现象。他引入了光子，一个携带光能的量子的概念。

在光电效应中，人们观察到将一束光线照射在某些金属上会在电路中产生一定的电流。可以推断是光将金属中的电子打出，使得它们流动。然而，人们同时观察到，对于某些材料，即使一束微弱的蓝光也能产生电流，但是无论多么强的红光都无法在其中引出电流。根据波动理论，光强对应于它所携带的能量，因而强光一定能提供更强的能量将电子击出。然而事实与预期的恰巧相反。

爱因斯坦将其解释为量子化效应：电子被光子击出金属，每一个光子都带有一部分能量E，这份能量对应于光的频率ν：E=hν

这里h是普朗克常数（6626 x 10^-34 J s）。光束的颜色决定于光子的频率，而光强则决定于光子的数量。由于量子化效应，每个电子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高频率的光子（蓝光，而非红光）才有能力将电子击出。

爱因斯坦因为他的光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖。

编辑本段光电效应方程

由于E=hv，这光照射到原子上，其中电子吸收一份能量，从而克服逸出功，逃出原子。电子所具有的动能Ek=hv-W0,W0为电子逃出原子所需的逸出功。这就是爱因斯坦的光电效应方程。

编辑本段德布罗意假设

1924年，路易-维克多•德•布罗意注意到原子中电子的稳定运动需要引入整数来描写，与物理学中其他涉及整数的现象如干涉和振动简正模式之间的类似性，构造了德布罗意假设，提出正如光具有波粒二象性一样，实物粒子也具有波粒二象性。他将这个波长λ和动量p联系为：λ=h/p

这是对爱因斯坦等式的一般化，因为光子的动量为p = E / c（c为真空中的光速），而λ = c / ν。

德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实于电子（具有静止质量）身上。在贝尔实验室Clinton Joseph Davisson和Lester Halbert Germer以低速电子束射向镍单晶获得电子经单晶衍射，测得电子的波长与德布罗意公式一致。在阿伯丁大学，George Paget Thomson以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹，确凿证实了电子的波动性；以后又有其他实验观测到氦原子、氢分子以及中子的衍射现象，微观粒子的波动性已被广泛地证实。根据微观粒子波动性发展起来的电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为探测物质微观结构和晶体结构分析的有力手段。

德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。Thomson和Davisson因为他们的实验工作共享了1937年诺贝尔物理学奖。

光和微观粒子的波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人困惑的问题 ，至今不能说问题已经完全解决。1926年M玻恩提出概率波解释，较好地解决了这个问题。按照概率波解释，描述粒子波动性所用的波函数Ψ(x、y、z、t)是概率波，而不是什么具体的物质波；波函数的绝对值的平方｜ψ｜2＝ψψ表示时刻t在x、y、z处出现的粒子的概率密度，ψ表示ψ 的共轭波函数。在电子通过双孔的干涉实验中，｜ψ｜2＝｜ψ1＋ψ2｜2＝｜ψ1｜2＋｜ψ2｜2＋ψ1ψ2＋ψ1ψ2，强度｜ψ｜2大的地方出现粒子的概率大 ，相应的粒子数多，强度弱的地方，｜ψ｜2小 ，出现粒子的概率小，相应的粒子数少，ψ1ψ2＋ψ1ψ2正是反映干涉效应的项，不管实验是在粒子流强度大的条件下做的，还是粒子流很弱，让粒子一个一个地射入，多次重复实验，两者所得的干涉条纹结果是相同的。

在粒子流很弱、粒子一个一个地射入多次重复实验中显示的干涉效应表明，微观粒子的波动性不是大量粒子聚集的性质，单个粒子即具有波动性。于是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在双孔实验中双孔又是同时起作用的，因此，对于微观粒子谈论它的运动轨道是没有意义的。

由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵从的运动规律不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。

薛定谔方程

量子力学中求解粒子问题常归结为解薛定谔方程或定态薛定谔方程。薛定谔方程广泛地用于原子物理、核物理和固体物理，对于原子、分子、核、固体等一系列问题中求解的结果都与实际符合得很好。

薛定谔方程仅适用于速度不太大的非相对论粒子，其中也没有包含关于粒子自旋的描述。当计及相对论效应时，薛定谔方程由相对论量子力学方程所取代，其中自然包含了粒子的自旋。

薛定谔提出的量子力学基本方程 。建立于 1926年。它是一个非相对论的波动方程。它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律，它在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样，是量子力学的基本假设之一。设描述微观粒子状态的波函数为Ψ（r，t），质量为m的微观粒子在势场U（r，t）中运动的薛定谔方程为。在给定初始条件和边界条件以及波函数所满足的单值、有限、连续的条件下，可解出波函数Ψ（r，t）。由此可计算粒子的分布概率和任何可能实验的平均值（期望值）。当势函数U不依赖于时间t时，粒子具有确定的能量，粒子的状态称为定态。定态时的波函数可写成式中Ψ（r）称为定态波函数，满足定态薛定谔方程，这一方程在数学上称为本征方程，式中E为本征值，是定态能量，Ψ（r）又称为属于本征值E的本征函数。

量子力学中求解粒子问题常归结为解薛定谔方程或定态薛定谔方程。薛定谔方程广泛地用于原子物理、核物理和固体物理，对于原子、分子、核、固体等一系列问题中求解的结果都与实际符合得很好。

薛定谔方程仅适用于速度不太大的非相对论粒子，其中也没有包含关于粒子自旋的描述。当计及相对论效应时，薛定谔方程由相对论量子力学方程所取代，其中自然包含了粒子的自旋。

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宇宙是由四种基本元素构成的：时间、空间、物质（或能量）和信息。

其中，物质和信息是构成一切物体的基本要素。

所谓“物息二象性”是指宇宙中的一切物体皆具有物质和信息两种属性，两者之间相互依存、不可分割。通常物体所呈现出来的特征和特性即为信息属性。

宇宙中的一切物体都是由物质和信息构成，物质属性指物体的物质元素或能量元素，信息属性指物体所具有的非物质特性（如，颜色、数量、几何、温度、硬度等属性）。

举例：

1）一个红苹果。

它的物质特性是糖分子、纤维素等物质元素；它的信息（非物质元素）包括颜色、形状、大小、味道等属性。

2）一块烧红的铁。

它的物质特性是铁原子；它的信息（非物质元素）包括颜色、形状、大小、温度、硬度等特性。

定律一：物质是信息的载体，信息是物质特征的呈现（即，信息需要借助物质为载体而存在，物质特性即是信息元素的呈现）。

举例：

3）人的意识。

意识产生的物质结构是大脑神经系统；意识的信息（非物质元素）体现是思想、想法。神经系统中神经元之间的链接方式和神经元的空间几何结构对应产生了不同思想。所以，物质结构与信息之间存在对应关系。

4）电脑系统。

电脑的物质部分是电脑硬件；电脑的信息（非物质元素）部分是软件系统。硬件中二极管的排列组合方式对应软件中二进制代码编程。所以，电脑硬件和软件之间存在对应关系。

定律二：物质利用各种特性（排列组合、颜色、温度等）编码信息，信息与物质特性之间存在一 一对应关系。

揭开人类意识之谜

人类意识是由大脑神经系统和思维信息共同构成的，神经系统是意识的物质结构，思想是意识的信息体现。神经系统与思维信息之间相互依存、不可分割，从而，创造了人类意识体验。

波粒二象性并不是说物质有时候是波有时候是粒子。从本质上讲，万物都是有粒子组成的，电磁辐射也不例外。但是，电磁辐射（例如可见光）却强烈的表现出波动性。那么这个波动性究竟是怎么来的呢？这个波动性是一种统计规律。下面以光为例来描述一下这个统计规律。

1大量光子的集体行为。通常的光都是由大量光子组成的，这些大量光子在空间中的分布满足一定的规律，我们能看到光的干涉现象，就是这个规律的表现。

2单光子的长期行为。通常干涉都是大量光子的行为。如果现在用一个阀门，每次只允许一个光子通过，光子打到屏上就记下一个亮点。结果发现，经过足够长时间后仍能看到干涉条纹。

因此，光的波动性是光子的空间分布的体现，它不是由于光子之间的相互作用产生的。光子的空间分布，是用波函数来描述的。波函数是一个复函数，它的模的平方就等于光子在相应坐标点出现的几率。

光的波动性是一种统计规律宏观表现，因此提出波粒二象性的德布罗意把光波描述为概率波。

光的本质的最有力证明是

波动性：干涉现象

粒子性：康普顿效应 光子碰撞电子改变了电子的动量

量子性：光电效应

那么其他微观粒子有没有波动性呢。电子的衍射实验证明电子也有波动性。

因此波动性与粒子性一点也不矛盾。粒子和波不是两种截然不同的物质，粒子性是物质的本质，波动性是统计规律，任何物质都是如此。有的物质看不出波动性是因为其波动性十分微弱肉眼凡胎看不出来，有的物质看不出粒子性是因为它表现出强烈的波动性而粒子性微弱所以人看到的都是波动性的现象。

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