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“一說(shuō)萬(wàn)物：現(xiàn)代物理學(xué)百年漫談”

第二講：現(xiàn)代物理學(xué)之光

2.4 什么是波粒二象性？

光到底是波還是粒子呢？光具有波粒二象性，一定程度上是波，一定程度上是粒子。你可能對(duì)這個(gè)答案非常不滿意，但其實(shí)這就是答案！

波粒二象性不是波?！半p標(biāo)”，可不是我想什么時(shí)候把它當(dāng)作波（粒子）就什么時(shí)候把它當(dāng)作波（粒子）。有一套確定的物理規(guī)則，告訴我們?cè)谑裁磿r(shí)候光看起來(lái)像經(jīng)典的波，什么時(shí)候看起來(lái)像經(jīng)典的粒子。 

想一下我們的日常生活，經(jīng)典的粒子是可數(shù)的，是可以標(biāo)記的?！耙粋€(gè)棗、兩個(gè)棗、三個(gè)棗”，這是粒子。粒子還有確定的位置，“出東門過(guò)大橋，大橋底下一樹棗”。粒子，還有能量、動(dòng)量，并且粒子相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞——“拿個(gè)桿子去打棗”。 

而經(jīng)典的波動(dòng)是振蕩，振幅可以連續(xù)的調(diào)節(jié)，是一個(gè)不可數(shù)名詞。波動(dòng)是延展的，“念去去千里煙波”；波具有頻率、具有波長(zhǎng)，并且在相遇時(shí)發(fā)生干涉而不是碰撞，“你記得也好，最好你忘掉，我們相遇時(shí)互放的光亮”。

那量子物體呢，比如光，它到底是經(jīng)典的粒子還是經(jīng)典的波動(dòng)？都不是，光確實(shí)是可數(shù)的——之前我們講了量子化，但光又是振蕩的。后面我們還要講到，光還有全同粒子的概念，我們沒(méi)辦法去標(biāo)記這個(gè)光子、那個(gè)光子；雖然可數(shù)，但是你沒(méi)有辦法去標(biāo)記。看，光有一定的粒子性質(zhì)，也有一定的波動(dòng)性質(zhì)。

從另外的角度，有的時(shí)候光具有確定的位置，有的時(shí)候光是延展的。什么時(shí)候有確定的位置？測(cè)量光的位置的時(shí)候，這就涉及測(cè)量。測(cè)量現(xiàn)在是這樣一個(gè)處境：我們知道數(shù)學(xué)上怎么做，但是對(duì)于測(cè)量的理解，不同的人有不同的看法。但無(wú)論如何，我們有一套數(shù)學(xué)系統(tǒng)去描述什么時(shí)候光有確定的位置，什么時(shí)候光是延展的。

粒子有能量，光有頻率。公式E = hυ把粒子的能量和光的頻率聯(lián)系起來(lái)了。 

經(jīng)典的波動(dòng)相遇會(huì)干涉，經(jīng)典的粒子相遇會(huì)碰撞。而兩束光遇到一起的時(shí)候，既有干涉，也有那么一點(diǎn)點(diǎn)的碰撞，兩者之間又是有聯(lián)系的。

說(shuō)了這么多，真相只有一個(gè)，到底光是粒子還是波動(dòng)呢？答案也只有一個(gè)，就是二象性！誰(shuí)告訴你光必須是粒子或者必須是波動(dòng)，在經(jīng)典的意義上沒(méi)有人告訴你。 

經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波動(dòng)是我們觀察我們熟悉的世界而總結(jié)出來(lái)的兩種形式，但是到了量子世界里，是不是還必須按波動(dòng)和粒子來(lái)分類？不一定。事實(shí)上，任何東西包括光，既有粒子性、也有波動(dòng)性，有經(jīng)典的粒子的一部分性質(zhì)和波動(dòng)的一部分性質(zhì)。波粒二象性就好比下面的圖，橫看它好像是一個(gè)鴨子，側(cè)觀又像是一只兔子。它到底是鴨子還是兔子？其實(shí)都不是，只是你從不同的角度看，它體現(xiàn)出經(jīng)典上一些鴨子的屬性和一些兔子的屬性而已。沒(méi)有人告訴你，這個(gè)東西必須要分類成鴨子還是兔子。

總結(jié)一下，光到底是波還是粒子？對(duì)不起，既不是經(jīng)典的粒子，也不是經(jīng)典的波，而是波粒二象性。并且除了光，其他世間萬(wàn)物也都是這樣。順便提下，如果只有光具有波粒二象性的話，那么建立量子力學(xué)不知要等到何時(shí)。這是因?yàn)楣馔瑫r(shí)還具有相對(duì)論的性質(zhì)，相對(duì)論我們是不熟悉的，同時(shí)研究不熟悉的相對(duì)論和不熟悉的量子論，難度可想而知。但是當(dāng)我們注意到電子也具有波粒二象性時(shí)，世界馬上豁然開朗。德布羅意提出物質(zhì)波概念，指出電子也可以用波粒二象性來(lái)研究，很快薛定諤就提出了描述電子行為的波動(dòng)方程。幾乎同時(shí)，稍早一點(diǎn)，海森堡提出了矩陣力學(xué)，從此量子力學(xué)的數(shù)學(xué)框架開始搭建起來(lái)。

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