杨氏双缝干涉实验的历史演变.doc

杨氏双缝干涉实验的历史演变 杨氏双缝干涉实验是科学史上一个著名实验，文章详细介绍了各个历史时期杨氏双缝干涉实验的发展和演变。经典的光学双缝干涉实验决定性地证明了光的波动理论，而后的电子双缝实验又验证了电子的波动性和粒子性双重特征，光子的双缝干涉实验则进一步说明光的波粒二象性，在此基础上改进的延迟选择实验突出体现了量子力学和经典定域实在论的矛盾。 标签：杨氏双缝干涉实验;干涉条纹;电子;光子 一、光的杨氏双缝干涉实验 在物理学家们试图理解光的时候，杨氏双缝干涉实验起到了至关重要的作用。早在17世纪，牛顿认为光应该是粒子流，就像机关枪射出的子弹一样。由于牛顿在科学界的崇高威望，除了极少数微弱的反对声音外，这种观点一直在科学界统治到十九世纪。英国物理学家托马斯·杨和其他人用实验决定性地证明了光是一种波动，他的实验改变了我们对光的认识。 波的一种标志性特征就是“干涉”。1807年，托马斯·杨第一次提出了光的双缝干涉实验：点光源发出的光通过两个狭缝投射到观测屏，在屏幕上产生明暗相间的“干涉”条纹，这就是双缝干涉。在这个实验中，有两点非常重要。第一是相干光的获得，因为普通光源发出的光不是相干光，无法产生干涉效应。杨氏通过让光源照射一对对称分布的狭缝，从光源发出的光同时到达狭缝，通过两缝的光就是相干光了，可以发生干涉，因为它们取自同一波阵面。第二点就是只有波才能有干涉，用波的观点来解释明暗条纹就是一件非常简单的事情。明亮的地方对应来自双缝的光恰好是同相的，它们的波峰和波谷都会对应加强，而暗纹则正好对应来自双缝的光反相，即波峰波谷相对，相互抵消。如果通过双缝的是经典粒子，如子弹，则完全观测不到明暗分布的干涉现象，也就是说牛顿的光是粒子观点无法说明光的干涉。而采用波的干涉观点计算出来的明暗条纹分布和实验结果惊人一致，所以说光的杨氏干涉双缝实验完全证明了光的波动性。 后来人们发现了光是波的更多证据。菲涅尔首先用光的波动理论解释了光的衍射和偏振现象，特别是关于圆盘衍射图像中心存在亮斑，牛顿的光粒子理论完全无法理解。更加激动人心的伟大发现是麦克斯韦构建的电磁理论，不仅预言了光是电磁波，并且从理论上给出了光的真空速度，很快赫兹就从实验上证实了电磁波的存在和光是电磁波的观点。随着麦克斯韦的电磁理论为赫兹实验所证实，光的波动理论取得了彻底的胜利。电磁波有波长和频率，波长和频率不同的光表现出不同颜色。后来还发现有看不见的光，如紫外线和红外线。现在还可以采用激光光源，直接照射两个狭缝，同样在屏幕上产生“干涉”条纹。因为很多人都用类似的双缝装置做波的干涉实验，所以统称杨氏双缝干涉实验。这些实验的光源都是有相当强度的光束，干涉结果都可以用光的波动理论来解释。 二、光子与电子 简单地回顾一下量子力学的历史，一切从光的研究开始，一切从实验出发，光的波粒二象性的确立是一个历史关键。关于光的本性的研究由来已久，粒子说和波动说在历史上都曾经占据过统治地位。早期以牛顿为代表的粒子说占据主导地位，特别适用于解释光的直线传播;后来在解释光的干涉和衍射等现象时，光的粒子说就无能为力了，光的波动说却大显身手，并且麦克斯韦电磁理论更是有力地证明了光就是电磁波，所以光的波动性是确定无疑的;但是好景不长，黑体辐射、光电效应和康普顿散射等实验的解释必须引入光量子的概念，显示光的粒子性又回来了。 1900年，德国人普朗克试图研究黑体中的能量辐射规律。黑体通俗地说就是某种黑匣子，对外来的电磁波只吸收不反射，但它本身能发射辐射。许多物理学家试图用经典热力学和经典统计解释黑体辐射现象，结果都未完全成功，其中较好的是维恩公式（短波低温区间符合较好）和瑞利-金斯公式（长波高温端符合较好）。所以黑体辐射是经典物理最早显露的困难之一。 普朗克不做实验，经过苦思冥想，他硬是拼凑出一个对所有频率都适用的普朗克公式。虽然公式和实验符合得很好，但是普朗克不清楚为什么这样。后来他凭直觉猜测 “光波能量可能是正比于它频率的倍数”，对确定频率的光存在一个最小能量，可以用E=hv表示，这就是普朗克的能量子（后称量子）。实际上明确提出光量子（光子）概念的，不是普朗克，而是爱因斯坦。1905年，爱因斯坦研究光电现象时，发现把光处理成粒子，把光电效应处理成光子和电子之间的相互作用，光子把自己的全部能量交给电子。光电效应中光子给予电子的能量，与普朗克引进的能量子是一回事，所以说光的能量是不连续的，光的最小能量值不可再分，即“光量子”或简称“光子”。爱因斯坦使我们对光有了全新的认识，光子到底是什么呢？是粒子？还是波？在这里它似乎更像粒子，因为它不可再分。然而光子又应该是波，因为它又可以发生干涉。 再加上之后发现的康普顿散射现象，都属于经典物理所遇到的困难，解决困难的共同点就是假设电磁波的能量不再是连续的，而是量子化的。从这点上来说