《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第25节作者:
浅论物理 我们看一下电磁波中无线电波是在频谱的低端,到中间是可见光,高端直到γ射线,全部电磁辐射形式都能用光量子来进行描述。在量子理论中,将光及无线电波用一个又一个的单个能量包来表达。这样在实际效果中平常人们就可以完全忘掉光子的存在。例如一只灯泡每秒钟发出了1亿亿亿个光子,好像看到的是连续的能量流,这时候由于光量子非常之小,所以通常已不需要考虑整个能量是在由大量的小能量包所组成的了。这时要追问一句,这能量包里究竟是什么东西,那么答案又变成模糊不清的可能是波也可能是粒子,还也许是两者兼有之。这就是量子没有能明确定义的悲哀之处。
而这里最关键的还是涉及到量子测量问题,这是目前理论中最重要也是最棘手的问题。早在1977年及1992年科学家分别针对单一原子以及单一个分子,进行研究的结果都证实了原子尺度下能量是在以不连续的方式辐射。
根据量子力学目前核心的“测不准原理 ”,物理界还没有能解决量子的测量问题,更无法描述测量过程。物理学从古典力学进入量子力学领域,人们放弃了粒子的经典运动图像,但量子力学却没有给出粒子真实的客观运动图像。微观粒子的客观运动形式仅仅是隐藏在神秘的波函数背后,人们目前仅仅凭着信仰与猜测,把它当作是一种瞬时的、非连续的波函数投影过程,而对过程为何发生及如何发生却说不清楚。这不能不说是量子力学的一大遗憾。这不能说爱因斯坦所说:“我不相信上帝是会掷骰子的”这话没有一点道理。量子力学急待于解决它所研究的物理对象的物理描述问题,从而也给量子力学进一步做出更切实的定义。使物理界从对量子理论本身真正物理解释的困惑中解脱出来。
在宏观物理世界对物质的研究中,凭借实实在在的物体,物理界创建了古典力学。这也是“微粒说”产生于“波动说”前面的重要原因。进入对微观粒子的研究,发现光的波动现象后,产生了“波动说”向“微粒说”发动了挑战,并以绝对优势战胜了“微粒说”。光具有波粒二象性。接着人们头脑中一成不变的观念中的微粒——电子也被发现具有波动性,它已不仅仅是可以从炽热的金属丝上一个接一个地发射出来的微粒——电子,而且还有电波存在。原先在光电效应试验中一个一个或一团一团射入的微粒——光子,也以光波的形式存在。
[64]
日期:2009-11-27 08:12:39
与牛顿同时代的惠更斯支持“波动说”,但他引用的传播光波的“以太”不为人们所接受,因而并没有动摇了牛顿“微粒说”的统治地位。直到1801年英国物理学家托马斯•杨成功地进行了光的双缝干涉实验。在实验中,他用单色光通过单缝后,接着再穿过两个相距不到1毫米的两个狭缝,结果在前方几米远的光屏上看到一系列稳定的明暗相间的条纹,这些等间距的条纹就是干涉图样。这就是著名的杨氏双缝干涉实验。从这以后光的波动说才被人们接受。以后人们发现将光源换成电子束后,同样得到了完全同样类型的衍射及干涉条纹。“微粒说”终于被动摇了。
再仔细回顾一下电子衍射实验:电子一个一个地穿过薄晶片再射到照相底片上,单个电子通过薄晶片狭缝后,能绕射到几何阴影区内,完全随机地形成一个个斑点,每一个电子对应于一个斑点,没有直接生成衍射图样。但是一旦发射的电子数量逐个累计增多以后,将许多电子形成的斑点累积起来的统计,和无数电子实验的总结果,都可以得到衍射图样。这揭示出了电子的波动性。这个在物理界比较典型的揭示量子的波粒二象性的实验说明了电是一种波,同时又是粒子。从它的发射情况可以看出它的粒子性;电子可以一个一个地间断发射,而不是一种不可分割的整体,或者说是某种连续不断的波。各个电子可以形成一个个各自对应的斑点。它的波动特征反映在将许多电子造成的斑点累积起来统计以及斑点最后综合形成了衍射图样。这当中难以预测的是每个电子均是完全随机地形成各自的斑点;也就是各个电子的运动轨迹,无规律可循,事先并没有固定的运动轨迹、更没有固定的落点。但是尽管如此,最终斑点必定能反映出具有波的特性的衍射图像,这又是一成不变的规律。量子的“波粒二象性”,告诉了人们,根据量子力学中重要的“测不准原理”,人们无法描述粒子运动的状态。但从它的群体形成的衍射条纹的特征中,人们又完全可以根据统计规律有预见地发现、掌握与利用。
下面分析一下几种波:
A、水波:首先我们应该明确实际上我们研讨的是微粒的波;并不是所看见的水的波纹,而是某种被传递的能量的波。波中传递的是能量(微粒)而不是水分子。当然,如果真能找到水分子的波,那也属于我们研讨的范围。但是我们从水面上漂浮物及水中物体并没有同步随波前进可以看出,这种表面上水波纹的形成仅仅部分揭示了波的内涵,而我们所要研究的这种波本身全是由能量组成,而水仅仅是传递这种能量的介质,换句话说该能量波是在水这个场中传递运动。当传递波的介质是固体时,该固体上介质分子位移极小,仅是振动,这时是无法用肉眼观察到波动变化的。
而传递介质若为气体或真空中的场时,虽然气体介质的移动范围大但是肉眼并没有办法观察到介质的运动状态,同样无法观察到波动变化。
[65]
日期:2009-11-28 11:24:15
当传递介质为液体时由于液体表面运动肉眼可见;再加上本身形成波的能量传递时,能显而易见地带动液体介质有所移动。但我们必须注意的是真正波粒子形成的波长,决不是肉眼所见水波纹的波长,我们研究的能量波这时频率实际上远远大于所见到的水波的频率。肉眼所见到的水波纹的形成可以这样来描述:当有物体投入水中,其所携带的能量,由能量本身的特性,同时结合介质水的特点,该能量形成波在水中传递,在传递过程中部分能量,由近到远地传给了水分子,带动水分子向四周前进,能量波自身传递速度快,一直领先向四周传递。而水分子质量大,运动速度相对较慢。水分子中得到能量较多的分子运动速度比其它水分子快,这就产生了后面的水分子涌到了前面的水分子上面形成了水波峰;当水波峰高到一定程度,后面的能量不足以再推高后,波峰在自重的压力下回落,落到一定低点以后,形成水波谷。周而复始,在能量及惯性的综合作用下形成了肉眼所见的向四周传递的一圈圈水波纹。但必须指出的是,此时水分子还远没有达到我们肉眼所见的水波纹运动的同步前进速度。这点从水面上的漂浮物并没有随水波纹前进多少也可以得到证实。因为这时我们肉眼所见到的水波纹,仅仅是我们所要研究的能量波的传递介质——水在波传递时表面的运动状况。在这整个过程中水分子群体并没有同步前进,也就更无法探讨水分子群体前进中的运动频率及波长。而我们所研究的波是必须有频率、波长及速度等特征的。我们肉眼所见到的向四周一圈圈扩散的水波纹的频率与波长代表不了在水这个介质中正在传递的能量波的频率与波长。而这能量波的频率与波长并非是我们肉眼所可见到的,但它恰恰是我们需要研究的波。我们可以用肉眼以外的其它手段探测到这能量波的频率与波长及速度。这点从在液体介质中传递的超声波或微波中都可以理解。
B、声波:
波长(λ) 频 率(f)
一、次声波 极大10—-4~20HZ
声 波: (空气)17m~1.7*10^(-2)m (人耳)20~2*10^4HZ
超声波: 10—3~ 10MHZ(10^7HZ)
(V空气=340m/秒V钢=1500m/秒)
(声波与无线电波超短波波长(λ)相近但频率却小了10^5倍)
【网站提示】 读者如发现作品内容与法律抵触之处,请向本站举报。 非常感谢您对易读的支持!
举报
© CopyRight 2011 yiread.com 易读所有作品由自动化设备收集于互联网.作品各种权益与责任归原作者所有.