95物理学概论近代物理.DOC

第十一章 近代物理 ◎波動與粒子之雙重性（參閱課本30章） 光是波動還是粒子？ 「光是什麼？到底是波動還是粒子？」的問題，一直被科學家們所爭論探討。 早先惠更斯認為光是波動，牛頓則認為是粒子，由於牛頓的成就斐然，人們較傾向 認同光是粒子。後來因為「楊氏 」證明光具備只有波動才有的干涉性質，因此「波動說」就被公認了。 然而到了二十世紀初愛因斯坦卻提出：若要合理解釋「光電效應實驗」必須把光當 做粒子（稱為 photon ），此時光到底是粒子還是波動又起困惑。楊氏雙狹縫干涉、光電效應都是實驗事實，但從它們所得到的結論卻是互相矛盾，那麼光到底是粒子，還是波動？ 一種新的說法被提出來了！「光具雙重性，它同時具有粒子性與波動性。」 不但光具有雙重性，連我們本來認定為的粒子的電子、質子、中子等也同樣具有波與粒子的雙重性。 (物質波為物質的波動性表現。 (=h/p，電子顯微鏡、電子繞射等。 ⊙光是波還是粒子？各有什麼實驗支持？ 對雙重性的詮釋——兼探討視覺看的問題 一種東西怎麼可能既是粒子又是波動？哥本哈根學派的海森堡（Heisenberg）對此有過深入檢討，他甚至反省了實驗觀測的真正意義。海森堡在《物理學與哲學》一書第三章指出：「我們必須記得，我們所觀測到的不是自然本身，而是自然根據我們探索它的方法的展現。」 ※Werner Heisenberg《Physics and Philosophy》Harper and Row publishers　NEW YORK P-58 （……,and we have to remember that what we observe is not nature in itself but nature exposed to our method of questioning.） 海森堡把觀測的對象分成兩層次，一為「自然本身」，另一為「自然根據我們探索它的方法的展現」。自然本身可以同時具有看似矛盾的兩種性質，不過到底會展現哪一種性質，則和我們實驗的設計安排有關。 海森堡把科學實驗觀測的對象分成兩層次，如果推廣到我們感官視覺的「看」上，我們可以把「看」的對象分成「自然本身」以及「自然根據我們的身心結構的展現」。 什麼是「自然根據我們的身心結構的展現」？ 眼睛猶如設計精巧的照相機，水晶體是鏡頭，瞳孔為光圈，網膜相當於底片。當我們用眼睛來看時，水晶體先把外面物體所發出的光匯聚到網膜，再由網膜上的視覺細胞把所得光訊轉化傳遞到大腦而完成「看」的活動。 我們以賞花為實例：賞花時，在外面的是「一朵實物的花」，經由眼睛到大腦轉化成我們的視覺經驗──「一朵視覺經驗的花」，這正是「自然根據我們的身心結構的展現」哩！ 當問到「被看到的東西」是什麼時，一般可能回答：「當然是外面的景物啊！」而深思的人或許會套用海森堡的話來說：「我們必須記得，我們所看到的不是外面景物本身，而是外面景物經由我們『眼睛』的展現。」這兩個答案雖不相同，但並不衝突，因為他們只是指陳的對象或者回答的深度不同而已。 回答「當然是外面的景物啊！」，指的是那朵「實物的花」，「實物的花」對應到科學觀測中的「自然本身」。說是「外面景物經由我們『眼睛』的展現」，則警覺到有「視覺經驗的花」的存在，「視覺經驗的花」是對應「自然根據我們用來探索它的方法的展現」。 「視覺經驗的展現」部分是個人的經驗，隨個人的感官狀態不同而相異。以賞花為例，我們曉得「視覺經驗的花」會隨著觀察者的眼睛而改變，隨著是否色盲、近視、戴眼鏡……等而有所變化。所以深思的人會說：「我們所看到的不是外面景物本身，而是外面景物經由我們的『眼睛』所展現的相。」…………。 機率波——電子干涉實驗的詮釋 電子從電子槍射出，通過遮蔽物的A、、 但令人驚訝的是，累積在屏幕上的電子分佈，不是分別經過A、 圖取材於 HALLIDAY etc.“Fundamentals of Physics”6ed 哥本哈根學派的Max Born提出如下的詮釋：「電子在離開電子槍到達屏幕之前，我們並沒有進行觀測，此時電子是以機率波的形式通過兩狹縫，因而會發生干涉。」 把這詮釋加以推廣就得到：「在量子物理的領域裡，事件未經測量之前是以機率分佈的形式存在；當對事件加以觀測時，本來遍布空間的機率分佈，瞬間『縮併』到特定的空間範圍來，事件則以具象的方式來呈現。」 機率與因果 當牛頓成功地描述了行星軌道運動後，不少科學家樂觀地認為：「只要弄清楚宇宙的現況，我們就可以完全地掌握宇宙的過去與未來。」此時信仰的是「機械式的因果觀」，因果關係是絕對確定的。 這到了二十世紀有重大的修正： 1.海森堡的「測不準原理」告訴我們不可能同時精確地測量到兩個互補的量，因此無限精確地弄清楚現況在本質上是不可能的