波動(dòng)性光學(xué)

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解釋相互不協(xié)調(diào)，粒子將其能量集中于一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，波的能量是均勻分布在整個(gè)波前上。對于波粒二象性的困境，自量子論誕生以來，許多物理學(xué)家和哲學(xué)家都頑強(qiáng)地拼搏過這個(gè)問題 ，遺憾的是都無果而終。雖然波粒二象性已被科學(xué)界廣泛接受，但這僅是一種限于當(dāng)時(shí)科技和認(rèn)識水平而被迫妥協(xié)的結(jié)果，許多人將它視為一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，而不是一個(gè)終極的答案。

粒子模型對單粒子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的考查

在物理學(xué)上，單粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被視為粒子具有波動(dòng)性的最有力證據(jù)。在該實(shí)驗(yàn)中(以光子為例)，入射光里只包含一個(gè)光子，在屏幕上光子將整體的為其上某個(gè)感光單元所接收。在底片上起初星星點(diǎn)點(diǎn)、繼而干涉條紋漸露端倪、最終呈現(xiàn)出完整的干涉圖樣。如果交替地每次擋住其中一條縫，就可以肯定每個(gè)光子通過的是另一條縫，結(jié)果是雙縫干涉條紋消失了，屏幕上顯示單縫衍射圖樣。

物理學(xué)界對上述實(shí)驗(yàn)的通常推理是：干涉條紋是兩束光相干疊加的結(jié)果，按經(jīng)典粒子的概念，一個(gè)光子只通過雙縫之一，另一個(gè)縫的存在與否，似乎對它的行蹤沒有影響。它打在屏幕上的概率怎么會受另一縫的制約？如果說下一個(gè)光子通過了另一條縫，前后兩光子在時(shí)間上相隔甚遠(yuǎn)，干涉效應(yīng)絕不可能在它們之間發(fā)生。所以，是一個(gè)光子自己和自己發(fā)生干涉，即一個(gè)光子同時(shí)通過了兩條縫。

1.單光子與光束在干涉機(jī)制上的矛盾

理性比較光束和單光子的雙縫實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，一方面，前者要求光束必須為相干光 ，否則不能干涉；而后者單光子之間不存在相干，也能出現(xiàn)干涉條紋。顯然這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)本身就存在無法調(diào)和的矛盾。

另一方面，前者的解釋是：通過雙縫后的不同光子之間發(fā)生干涉；而后者的解釋：是同一個(gè)光子同時(shí)通過雙縫后與自身干涉。顯然，對于同一套實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的干涉條紋，出現(xiàn)了兩種完全不同的干涉機(jī)制。難道自然界為我們準(zhǔn)備了多套干涉方式，以供我們根據(jù)需要來任意選擇嗎？

面對上述兩種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，我們已經(jīng)陷入干涉機(jī)制的困境。

2. 單光子雙縫干涉效應(yīng)的系統(tǒng)相對論解釋

在單光子雙縫實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置的兩縫間隔為微米級，如圖2-1所示。由于間隔的截面尺度極小，在間隔的臨界場中作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的自由電子，具有圍繞“間隔”做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的分量。這些自由電子相互誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，最終它們都圍繞 “間隔”作同向的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。這種規(guī)則的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致自由電子之間相互耦合，形成電子對或電子鏈。于是，在間隔周圍形成了一個(gè)電流磁場 。

在這個(gè)電流磁場的誘導(dǎo)作用下，縫的另一側(cè)上產(chǎn)生一個(gè)其表面原子核形成的協(xié)變磁場，這兩個(gè)場統(tǒng)稱縫隙場。單光子在通過任意一條縫時(shí)，在縫隙場的作用下發(fā)生偏向運(yùn)動(dòng)，即物理學(xué)上的衍射。

在間隔上做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的自由電子具有一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)周期T₁，設(shè)T₁=nτ₀ ，其中n為整數(shù)，τ₀為某個(gè)時(shí)間單位。一般，從光源發(fā)出的光子也具有固定的周期T₂，可表示為：T₂=mτ₀ ，其中m為整數(shù)。那么，光源和雙縫構(gòu)成的系統(tǒng)也存在一個(gè)周期T，即：T=0。這里未考慮入射單光子的隨機(jī)路徑。

如上所述，相隔時(shí)間T的兩個(gè)光子受到縫隙場的作用相同，設(shè)光子與縫隙場的作用共分x種情況，則有：x=T/T₂=

可見，光子與縫隙場的作用共有T/T₂種類型。換言之，通過縫隙后的光子具有T/T₂個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，形成T/T₂條亮紋。由此推測，實(shí)驗(yàn)顯示的亮紋是將兩縫亮紋重疊而成，當(dāng)然這需要精細(xì)調(diào)制。顯然，這與所謂的自身干涉毫無關(guān)聯(lián)。

當(dāng)任意一個(gè)縫被擋住，間隔消失了，間隔上的電流磁場也就消失，縫隙場也就不存在了，所謂干涉條紋也就消失了。于是，在屏幕上呈現(xiàn)出因受縫隙邊沿臨界場影響而形成的衍射圖案。

粒子模型對波粒二象適用范圍的考查

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，對于粒子的波動(dòng)性和粒子性，它們的使用范圍是不同的，即在討論與物質(zhì)(物體)相互作用時(shí)粒子性有效，在討論在空間中的運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)性有效。

我們知道，不論任何物體，構(gòu)成物體的分子或原子之間存在著間隙、原子核與電子之間也存在間隙。因此，一個(gè)物體就是由懸浮于空間中的各級粒子通過不同作用關(guān)系逐級構(gòu)成的一個(gè)松散結(jié)構(gòu)的聚合體。

一方面，根據(jù)接觸的相對性原理，任何物體或粒子之間的相互作用都是在一定間隙下通過場傳遞的。也就是說，無論一個(gè)粒子與某個(gè)物體作用與否，粒子始終處于空間中。而無論物體內(nèi)的空間還是物體外的空間，它們都是整個(gè)連續(xù)空間的一部分，粒子性和波動(dòng)性的精確分界線應(yīng)在哪個(gè)位置呢？顯然，從連續(xù)空間的角度看，這個(gè)分界線并不存在。

另一方面，一個(gè)粒子與物體的相互作用，本質(zhì)是與物體中的某個(gè)粒子的相互作用(如核外電子、原子核等)，只不過這個(gè)粒子處于束縛態(tài)、具有我們可以描述的位置和狀態(tài)罷了。如果一個(gè)粒子與束縛態(tài)粒子相互作用就表現(xiàn)出粒子性，而與自由態(tài)粒子相互作用時(shí)就表現(xiàn)出波動(dòng)性。這顯然是表明，一個(gè)粒子是根據(jù)與它作用粒子的束縛態(tài)或自由態(tài)，來決定它要表現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性。難道一個(gè)粒子能夠識別與它作用粒子的狀態(tài)嗎？顯然，粒子是不可能有意識的。

綜上所述，系統(tǒng)相對論認(rèn)為，包括光子、電子等各種粒子，它們都不具有波動(dòng)本性，但在特定條件下可以顯示出波的某些特征。

光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。

金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強(qiáng)度無關(guān)，這一點(diǎn)無法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān) ,光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響.

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化高比例可再生能源波動(dòng)特征及其影響

風(fēng)電和光伏是當(dāng)前技術(shù)最成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)。這兩類電源都具有很強(qiáng)的波動(dòng)性、隨機(jī)性，往往被統(tǒng)稱為波動(dòng)電源(variable generation, VU)。有文獻(xiàn)對世界各地的大規(guī)模風(fēng)電出力和系統(tǒng)凈負(fù)荷(負(fù)荷與風(fēng)電出力之和)的波動(dòng)性進(jìn)行了多年統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)全球可按風(fēng)電波動(dòng)性低、中、高劃分為三類地區(qū)，瑞典、西班牙和德國屬于風(fēng)電低波動(dòng)地區(qū)，葡萄牙、愛爾蘭、芬蘭和丹麥屬于風(fēng)電中波動(dòng)地區(qū)，北美的魁北克、邦納維爾電力局、德州可靠性管委會轄區(qū)，中國的甘肅、吉林和遼寧，挪威，丹麥的海上風(fēng)電屬于風(fēng)電高波動(dòng)區(qū)。低波動(dòng)區(qū)每小時(shí)風(fēng)電爬坡功率不超過額定容量的10%，而高波動(dòng)區(qū)每小時(shí)風(fēng)電爬坡功率可達(dá)額定容量的30%。

光伏出力具有顯著的晝夜周期性。在太陽能資源富集的美國加州地區(qū)，高比例光伏并網(wǎng)導(dǎo)致其凈負(fù)荷呈現(xiàn)“鴨型曲線”，即春季凈負(fù)荷在中午急劇下降而成為全日低谷負(fù)荷點(diǎn)，且這種趨勢隨著光伏接入比例升高而加劇，預(yù)計(jì)到2020年將需要系統(tǒng)具有3h內(nèi)13 000 MW的爬坡調(diào)節(jié)能力方可保證不棄光。

風(fēng)電、光伏等波動(dòng)電源的波動(dòng)特性源于一次資源。風(fēng)光資源是一種過程能源，不可存儲、不易控制，在不同時(shí)間尺度、不同空間范圍，呈現(xiàn)不同的波動(dòng)特性。

可見，在高比例可再生能源并網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)，電源波動(dòng)甚至超過了負(fù)荷波動(dòng)而成為系統(tǒng)不確定性的主要來源。而如何應(yīng)對這種電源和負(fù)荷的雙不確定性，也成為系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的核心問題。北美電力可靠性組織(North American Reliability Council, NERC)研究提出，為了消納風(fēng)電、光伏、海洋能和小水電，北美電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行方法要進(jìn)行巨大變革，具體包括以下幾個(gè)方面 。

1)開發(fā)多種類型的波動(dòng)電源，在廣域空間尺度內(nèi)平衡一次資源，并采用先進(jìn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)波動(dòng)電源的功率爬坡和電壓控制性能。

2)適應(yīng)高比例波動(dòng)電源并網(wǎng)，電網(wǎng)輸變電設(shè)施需要顯著增加，保障源荷間功率交換和輔助服務(wù)。

3)新增儲能和可控負(fù)荷，如需求響應(yīng)、電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲能，有助于平衡波動(dòng)電源的靈活調(diào)節(jié)需求。

4)提升波動(dòng)電源的出力測量和預(yù)測精度是保障整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃可靠性的關(guān)鍵。

5)輸配電網(wǎng)需要更加協(xié)調(diào)地綜合規(guī)劃。

6)需要擴(kuò)大供需平衡區(qū)域規(guī)模以獲得更好的波動(dòng)電源消納能力。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化高比例可再生能源電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型

高比例可再生能源帶來的不確定性，是電力系統(tǒng)形態(tài)演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

高比例可再生能源驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型如圖2所示。

歐洲、美國和中國分別提出2050年實(shí)現(xiàn)100%，80%，60%可再生能源電力系統(tǒng)藍(lán)圖。全新場景下，電力系統(tǒng)特征將發(fā)生顯著變化，隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)能和太陽能成為主力電源，基本取消“基荷”發(fā)電廠，常規(guī)火電機(jī)組在日內(nèi)啟停，并通過水電廠、燃?xì)怆姀S、儲能等靈活資源調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對可再生能源隨機(jī)波動(dòng)性的互補(bǔ)，靈活性成為規(guī)劃和運(yùn)行關(guān)注的核心問題。

源端的主要趨勢是電源清潔化。風(fēng)電/光伏等可再生能源大力發(fā)展(局地發(fā)電量占比超過30%,水電充分開發(fā)，火電定位調(diào)整，逐步參與調(diào)峰，核電穩(wěn)步發(fā)展，從而形成一種全新的高度清潔化電源格局。

電網(wǎng)的關(guān)鍵特征是電力電子化。遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)和就地平衡供電網(wǎng)絡(luò)因地制宜，差異化并存，交直流混聯(lián)輸電網(wǎng)廣泛應(yīng)用，配電網(wǎng)中多類型新設(shè)備涌現(xiàn)，直流配電技術(shù)得以快速發(fā)展。

負(fù)荷呈現(xiàn)多重不確定性。分布式電源、電動(dòng)汽車、分布式儲能和雙向負(fù)荷的涌現(xiàn)和接入比例不斷提升，整個(gè)系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲”互動(dòng)藕合特性凸顯，不確定性成為規(guī)劃和運(yùn)行而臨的核心問題 。