雙狹縫干涉

路徑積分與費曼圖(上)

路徑積分與費曼圖(上)
蕭維翰

本次費曼專題筆者希望透過兩篇文章談論費曼的路徑積分與費曼圖,作為費曼科學工作的代表。而本文將側重於路徑積分,並在結尾引出費曼圖。

但在科學開始之前,筆者必須承認,一直以來,我認為談論費曼的科學工作不是簡單的事。困難處不在於那些科學技術上的深澀,反在於它們的基礎性與普世性,在沒有獨樹一幟的新見解前,這個世界需不需要多一篇介紹費曼學術成就的科普文?

筆者相信在 CASE 的多年耕耘下,讀者們對於路徑積分或多或少都有所耳聞。科普界亦已有許多談論路徑積分的文章,絕大多數都會以光子或電子的雙狹縫干涉實驗為物理動機進行說明,以一個科學工作者的角度來看,這的確不失為好的介紹方式——首先提出實驗可想見實現的物理情境,接著嘗試利用物理直覺猜測可能的結果,再以意料之外的真實現象誘使讀者思考,最後說明迄今人類對於此問題的理解,並抽象化成為整個量子理論的指導原則。

干涉

干涉 (interference)
國立臺灣大學物理博士班嚴治平

在介紹干涉 (interference)之前,先介紹相位 (phase)與疊加原理 (superposition principle)!相位是波 (wave)最重要的性質之一,而疊加原理則是處理數個波在時間、空間上重疊時的方法。

先以一維的繩波來介紹:

在同一條繩子上有兩個繩波相向而行(參見圖一),當兩波交會時,在交會處繩子的振動方式乍看之下似乎有點複雜,但其實並不然,因為只需把向左傳播的繩波跟向右傳播的繩波在相同位置的振動相加便可,這就是疊加原理。不論有幾個波重疊在相同的時間、空間,將各自的振動相加就可以得到總和的波。 當不同的波在空間的某處疊加在一起時,我們便說這些波在進行干涉。

物質波

物質波(matter wave)
國立臺灣大學物理所陳致融

物質波又稱德布羅意波(de Broglie wave),是1923年由法國物理學家 路易‧德布羅意(Louis Victor de Broglie)提出,是指所有粒子都存在波動的特性,例如電子經過雙狹縫會干涉。而物質存在粒子與波動的特性,就是所謂的波動-粒子二相性(wave-particle duality)。

粒子性與波動性是兩個截然不同的行為,粒子性符合牛頓運動定律所描述的粒子,例如古典物理中所認知的電子、原子、棒球等等,而波動通常是一種藉由介質(群體粒子的行為)來傳遞能量的行為,例如聲波、水波;但有些波動則不需要介質傳遞能量,例如光波。最先提出二相性的看法是因為對光的研究。於1704年牛頓 (Isaac Newton)在光學這本著作中,認為光是由一群非常微小的粒子所組成,但直到楊氏雙狹縫干涉實驗以及馬克士威的波動方程式之提出,人們才從實驗與理論上奠定了光的波動性,並推翻了牛頓的微粒說。