概率波,又称德布罗意波,是指空之间的某一点在某一时刻可能出现的概率。这个概率的大小取决于波动规律。因为爱因斯坦提出了光子具有波粒二象性,德布罗意在1924年提出了一个假说,认为不仅光子具有波粒二象性,包括电子、质子和中子在内的所有微观粒子都具有波粒二象性。他把所有微观粒子代入光子动量与波长p=h/λ的关系,认为质量m、速度v的运动粒子也有波动性,这个波的波长等于普朗克常数h与粒子动量mv之比,即λ=h/(mv)。这个关系就是德布罗意公式。
假设一个电子是自由电子,它的波函数是行波。也就是说,这个电子出现在空之间任意一点的概率都是一样的。如果这个电子在氢原子中,处于基态,它可以出现在空之间的任意一点,但最有可能出现在玻尔半径处。这意味着,在量子力学理论中,物质没有确定的位置,从宏观角度显示的位置实际上只反映了概率波函数的平均值。如果没有测量,它可以出现在任何位置,但当测量开始时,它的实际位置是其波函数的本征值。在其他可观察的事物中也有分布。当我们观察时,我们可以得到一个特征值。在宏观尺度上,概率波呈现概率波函数的平均期望值,其不确定性失效可以忽略不计。
在量子力学理论中,物体的位置和动量不能同时测量,所以我们无法知道物体的确切位置和动量。如果测得的位置很准,动量会很不准。这个原理叫做测不准原理。在哲学上,一个价值如果不能被观察到,就等同于不存在。所以在量子力学中,位置和动量可以同时精确测量的粒子是不存在的。
机械波是指振动在介质中的传播。电磁波是指向外传播的周期性电磁场。物质波不同于这两种波。德布罗意提出物质波的概念后,科学家们想出了很多方法来解释它。1926年,德国物理学家玻恩提出了一个解释,后来被实验证实,于是成为公认的解释。这个解释认为,物质波在某一点的强度与在该点找到它所代表的粒子的概率成正比。根据这个解释,物质波是概率波的一种。
1927年,美国物理学家克林顿·戴维森(Clinton Davidson)和莱斯特·伽莫夫(Lester Gamow)在实验中利用电子发射镍晶体,发现其衍射图样符合布拉格定律。在德布罗意的物质波假说被物理学界接受之前,科学家们认为衍射只能发生在波中。后来通过实验证明,基本粒子具有与波相同的性质。
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