光是什么？用一個(gè)“獅子獵羊”告訴你

量子力學(xué)，是一門讓人眼花繚亂的學(xué)科，它讓我們認(rèn)識(shí)到了自然界中微小世界的奇妙之處。它不僅改變了我們對(duì)光的理解，還刷新了我們對(duì)電子等微觀粒子的認(rèn)知。今天，我們就來聊聊量子力學(xué)中最神秘的一部分：波粒二象性，并通過一個(gè)“獅子獵羊”的故事，帶你走進(jìn)這個(gè)奇幻的量子世界。

光是什么？從波到粒子的糾結(jié)

在18世紀(jì)以前，人類一直在爭論光的本質(zhì)。笛卡爾、惠更斯、胡克等科學(xué)家主張光是波動(dòng)，但牛頓卻憑借他的顯赫成就，堅(jiān)定地認(rèn)為光是微粒。這個(gè)爭論因“波動(dòng)說”難以解釋干涉現(xiàn)象而一度陷入僵局。直到1801年，英國科學(xué)家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，重新引發(fā)了人們對(duì)波動(dòng)說的興趣。可是，事情并沒有就此完結(jié)。

1900年，普朗克為了解釋熱輻射，提出了“量子”概念。他發(fā)現(xiàn)，原子吸收或釋放能量不是連續(xù)的，而是以一份一份的形式——即“量子”——進(jìn)行的。幾年后，愛因斯坦用這個(gè)量子概念解釋了光電效應(yīng)，并因這一成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他指出，光不僅是波，還是一顆顆“光子”。于是，光的波粒二象性開始被接受：光既是波，也是粒子！

電子也能“波動(dòng)”？

在愛因斯坦的理論啟發(fā)下，法國物理學(xué)家路易·德布羅意腦洞大開：既然光子既是波又是粒子，那么電子會(huì)不會(huì)也有“波動(dòng)”特性呢？他提出了一個(gè)大膽的假設(shè)——電子也可以表現(xiàn)出波動(dòng)性！這個(gè)想法后來得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，揭開了“波粒二象性”的面紗。也就是說，所有的微觀粒子，都是“亦波亦?！钡?！

為了更好地說明這個(gè)奇妙的現(xiàn)象，德布羅意設(shè)想了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。想象一塊屏幕有兩道縫，當(dāng)光子或電子穿過雙縫時(shí)，屏幕后出現(xiàn)的圖案并不像普通的投影那樣簡單，而是會(huì)形成一種條紋狀的“干涉”圖案。這種干涉條紋正是波動(dòng)的標(biāo)志。于是，光和電子的“波粒二象性”通過實(shí)驗(yàn)得到了生動(dòng)的證明。

“獅子獵羊”：量子游獵的游戲

德布羅意的實(shí)驗(yàn)或許聽起來有些抽象，為了幫助我們更好地理解，他設(shè)計(jì)了一個(gè)有趣的“獅子獵羊”故事：假設(shè)有一群羊從兩道縫穿過，像電子一樣在兩道縫后形成干涉條紋。條紋就是羊最常出現(xiàn)的地方，而一只狡猾的“獅子”會(huì)守在這些條紋旁，等著羊群送上門來。這就好比光的干涉現(xiàn)象：羊在雙縫后形成的條紋，反映了它們既是粒子（個(gè)體的羊），又表現(xiàn)出波動(dòng)性（形成條紋的羊群）。

量子世界中還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，那就是電子的“云霧狀”分布。平時(shí)，原子核周圍的電子分布像一團(tuán)“霧氣”；可當(dāng)你去“觀察”它時(shí)，這團(tuán)“霧”突然會(huì)凝聚成一個(gè)點(diǎn)。想象有一只“量子昆蟲”，平時(shí)像云霧一樣朦朧，一旦被捕捉到，它就凝結(jié)成一個(gè)清晰的“粒子”。這正是量子力學(xué)中的“測不準(zhǔn)原理”在起作用。它告訴我們，微觀粒子的狀態(tài)在沒有被觀測前是模糊不清的，但一旦觀測，粒子的位置便被“固定”了下來。

波粒二象性、量子干涉、電子云霧……這些量子現(xiàn)象雖然誕生于微觀世界，卻深刻地影響了我們的日常生活。量子力學(xué)的奇妙之處在于，它不斷顛覆我們的直覺，讓我們認(rèn)識(shí)到自然界的奇妙和復(fù)雜。在這個(gè)神秘的世界里，“波”和“粒子”不再是截然不同的存在，而是一種奇異的二象性。希望這場量子游獵之旅，能讓你對(duì)微觀世界的奇幻有了更深入的認(rèn)識(shí)。

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)

審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師