科學(xué)認(rèn)識(shí)君的《通俗物理100課》系列

【第二課：波粒二象性】

可以說伽利略與牛頓建立起了物理學(xué)，在此之前并沒有物理學(xué)這門學(xué)科，研究自然的學(xué)問叫自然哲學(xué)，其與物理學(xué)的根本區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)。

物理學(xué)是研究自然現(xiàn)象的科學(xué)，歸根結(jié)底就是研究物質(zhì)的組成，相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。

面對(duì)多彩繽紛的自然世界，人們總會(huì)發(fā)問，組成這一切的物質(zhì)是什么？它們是否可無限細(xì)分？

其實(shí)早在2400多年前的古希臘時(shí)期，德謨克利特就主張“原子論”，不過他認(rèn)為的原子和現(xiàn)在所認(rèn)知的原子完全不同。他認(rèn)為世界萬物就是由一種基本元素構(gòu)成，這種元素很小且是不可再分實(shí)體“小球”。這種實(shí)心小球的排列組合順序構(gòu)成了大千世界的千變?nèi)f化，這就是他心中的原子。

直到兩千多年后的18世紀(jì)，人們才用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子的存在。不過那時(shí)候?qū)υ拥恼J(rèn)識(shí)還很膚淺。

牛頓對(duì)原子的探索并沒有什么建樹，之后人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了道爾頓的實(shí)心球模型，湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，盧瑟福的行星模型，玻爾的能級(jí)模型和電子云模型。

我們現(xiàn)在知道了原子是由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，原子核的正電屬性是由質(zhì)子體現(xiàn)出來的，中子是不帶電的。并且原子的質(zhì)量幾乎都聚集在原子核上。

其實(shí)在19世紀(jì)之前，人類并不了解原子內(nèi)部的構(gòu)造，也更不了解電子的運(yùn)動(dòng)。所以那時(shí)候牛頓力學(xué)的危機(jī)并不是很突出。直到科學(xué)家觀測(cè)到原子核外電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓力學(xué)徹底在微觀領(lǐng)域失效了。按照牛頓力學(xué)的計(jì)算，電子這種東西嚴(yán)格來說就不應(yīng)該存在于原子核外。它應(yīng)該直接和質(zhì)子中和掉。

按照經(jīng)典力學(xué)的解釋，帶正電的質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而電子在這種電場(chǎng)中蹦跶不了多久就會(huì)被吸引到質(zhì)子上，并與其抵消。

可是電子的運(yùn)動(dòng)完全不是這樣的，電子依舊蹦跶得很活波，經(jīng)典力學(xué)的統(tǒng)治時(shí)代宣告解釋。

經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)的探索，我們可以自信的說，量子力學(xué)在次原子級(jí)別是正確的。我們現(xiàn)在知道了眾多的微觀粒子，以及它們的相互作用形式。自然界存在四種力，按照作用的強(qiáng)度依次分為：強(qiáng)相互作用（核力），電磁力，弱力，引力。

物理學(xué)家從電磁力傳播所依賴的電磁場(chǎng)中得到啟示，其他三種力也應(yīng)該是通過“場(chǎng)”來傳遞力的。物理學(xué)家繼續(xù)從電磁力傳播所依賴的傳播子（光子）中得到啟示，其他三種力也應(yīng)該通過各自的傳播子完成的。也就是說，這四種力，每一種都是依賴場(chǎng)中的傳播子進(jìn)行的。

但有場(chǎng)未必有傳播子，而有傳播子一定有場(chǎng)的存在

靜止電荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)中的其他電荷會(huì)因此受到作用，但這其中并沒有光子這樣的傳播子。如果靜止電荷運(yùn)動(dòng)起來，那其造成的電場(chǎng)也會(huì)是波動(dòng)的，變化的電場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)就此產(chǎn)生。電磁場(chǎng)的傳播子是光子，光子是一份份運(yùn)動(dòng)的能量，這些能量通過質(zhì)能方程E=MC2轉(zhuǎn)換成光子的質(zhì)量，并且具有波粒二象性。

我們最早知道了光是波粒二象性的，隨后的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了電子也具有波粒二象性。其實(shí)除了微觀粒子，整個(gè)宇宙中的所有物體，不管是微觀的電子還是宏觀的星球都是物質(zhì)波。

或許這有些難以理解，我可以從簡(jiǎn)單的電磁波講起。電磁波其實(shí)就是核外電子輻射出的一份基本能量，電子是帶負(fù)電的電荷，電子總是在運(yùn)動(dòng)，那么電子就會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，就這樣電磁場(chǎng)就傳播開來了，電磁場(chǎng)可以傳播能量，這能量就是光子。

光子是如何運(yùn)動(dòng)的？

知識(shí)補(bǔ)充：光是一種電磁波，電磁波傳播速度c=波長(zhǎng)λ×頻率f，真空中光速恒定。

光子不僅是一種粒子也是一種波，光子的運(yùn)動(dòng)頻率不同導(dǎo)致了形形色色的電磁波產(chǎn)生。光子的運(yùn)動(dòng)頻率從100hz到10的27次方不等，其名稱依次可以是電擾動(dòng)，無線電，雷達(dá)波，可見光，X射線，伽馬射線.....

電擾動(dòng)雖然也是電磁波，但頻率很低，波長(zhǎng)就很長(zhǎng)，甚至可以達(dá)到數(shù)千公里，從一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的距離太遠(yuǎn)了，所以波動(dòng)的性質(zhì)并不明顯。就好像是在湖面上相隔10公里才有兩個(gè)凸起的波浪，這個(gè)湖面會(huì)顯得很平靜，所以電擾動(dòng)更像是場(chǎng)。

而無線電，雷達(dá)波的頻率就高出電擾動(dòng)的好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，它們的波長(zhǎng)就更短，波峰距離不大，更像是波。

可如果頻率繼續(xù)增加，比如宇宙中的伽馬射線，它雖然也是電磁波，但其頻率極大，導(dǎo)致波長(zhǎng)極短，有的波長(zhǎng)才10的負(fù)14次方米，比原子半徑還小到多。那么這些電磁波的波峰距離就極短，兩個(gè)波峰更像是渾然一體的粒子了，而不像是波。

所以從電磁波的波長(zhǎng)高低來劃分，波長(zhǎng)長(zhǎng)的更像場(chǎng)，波長(zhǎng)中等的更像波，波長(zhǎng)短的更像粒子。

所以光子的頻率差異會(huì)讓其體現(xiàn)出顯著的粒子態(tài)或波動(dòng)態(tài)。但不管如何，光子同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。

德布羅意的物質(zhì)波告訴我們，人類也是波粒二象性的，只不過人體波動(dòng)的頻率太大了，而波長(zhǎng)太小了，以至于現(xiàn)有的儀器都無法觀測(cè)到這種波動(dòng)，所以人體更顯得是個(gè)實(shí)在物體。

既然所有的物質(zhì)都是波粒二象性的，那么夸克也是（目前發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部最小尺度的粒子），倘若還有比夸克還小的粒子，那么它也是波動(dòng)的。宇宙中數(shù)百個(gè)基本粒子構(gòu)成了宏觀世界的多樣性，基本粒子之間的作用關(guān)系很復(fù)雜，我們甚至都理不清它們之間的關(guān)系。

但唯一可以確定的是所有粒子都是波動(dòng)的，光子是波動(dòng)的能量，這種電磁波因頻率的不同時(shí)而表現(xiàn)出粒子性，時(shí)而表現(xiàn)出波動(dòng)性。當(dāng)然我們可以借助這種思想建立一種大一統(tǒng)理論。

我們假設(shè)，現(xiàn)在所說的光子，電子壓根就不是什么基本粒子，而是由一種更小的波動(dòng)能量構(gòu)成，這種波動(dòng)就是超弦理論中的弦，弦的不同振動(dòng)形式會(huì)表現(xiàn)出不同的基本粒子。

那么我們就可以從更小的尺度統(tǒng)一已知的基本粒子，我們找到弦的振動(dòng)規(guī)律，就知道基本粒子的生成機(jī)制，包括費(fèi)米子，傳遞四種相互作用的玻色子，生成質(zhì)量的希格斯玻色子以及尚待發(fā)現(xiàn)的引力子。這些粒子的作用和特性太冗雜了，我們很難把它們?cè)诂F(xiàn)有的物理框架中統(tǒng)一起來。而超弦理論則正是大一統(tǒng)理論的理想候選者！