互补性原理,
量子力学基本原理之一。又称并协性原理。
主要内容
原理的内容有两个层次:
①关于原子的内在性质的所有知识都是从实验中导出的。实验条件有时是不相容的,如测量粒子在同一方向的坐标和动量。因此这两个方面的认识是互补的,而它们的结果又只能是独立的侧面。这个观点此后量化和提高到不确定度关系。
②对微观体系的描述有粒子(以能量和动量为表征)与波动(以频率和波长为表征)两个侧面。两个侧面是互补的。一个电子通过双缝在屏幕上给出干涉图样,呈现了其波动性。如果要它同时呈现粒子性,要弄清它从哪一个狭缝穿过,干涉图样就会消失。确定它“走哪一条路径”,可放置光源在双缝后面,当电子通过时和光子发生散射,从散射光子的动量就能判断电子的路径。但电子在散射时得到动量转移,它使两束原子德布罗意波的相差发生变化,而这种变化是概率性的,对不同相差的平均结果消除了干涉图样。电子有粒子和波动两个互补的面貌,它呈现一种面貌时,另一种面貌则退隐。R.P.费因曼在讨论这个实验时,称之为“想象中的实验”,因为不可能造出和电子德布罗意波长相比的干涉装置。更重要困难是光和电子的相互作用太弱,发生散射的概率太小。
验证互补原理的实验是D.E.普里恰德研究组在1995年实现的。他们用共振光照射原子干涉仪中的原子,保证原子在通过光束时几乎肯定能发生散射。实验结果是当相移的幅度增大时,代表相干的干涉条纹可见度很快下降。
实验还回答了一个更深层次的问题。保持照射条件不变,只对符合光栅作出调整,则仅探测得到动量传输被限制在较窄的范围内的原子,干涉条纹可见度的减小就慢得多。这种限制意味着限制散射光子的动量范围,并不能提供走“哪一条路径”的有效信息,就部分地保留了原子的波动性。这说明互补原理的成立并非不确定度关系的直接推论,因为在调整中原子散射的条件并未改变。波动性的减弱直至消失取决于相差范围的大小,而这在实验中是可调节的。
主要意义
验证互补原理的这些实验提供了对微观粒子的波粒二象性更深入的认识。