来源：《科学之谜》2009.11A 2009-11-18 10:12:00 【文章字体： 大 中
小】
◇杜仲／文
微观粒子的波粒二象性是凭我们的曰常经验很不容易理解的一种现象。光子怎么既是一种粒子，又是一种波呢?这太难理解了。说实话，这个问题不仅让一般的读者头疼，即使请教专门研究粒子的科学家，他们也未必能说得清楚。所以，当有读者来信要我们谈谈对波粒二象性的理解时，我实在感到很为难。我所能做的恐怕只有一件事了，那就是领着读者把物理学家如何提出波粒二象性这一概念的历史简单回顾一遍。
这种回顾虽然不能从根本上解决读者的疑问，但也许多少会让他心安。这就好比说我做了一道菜，有位客人刚尝了一口就皱着眉头说：“这味儿真怪!”仿佛我加了外星人的佐料。我没法解释为什么，只好把他领进厨房，把菜谱摊开，当着他的面把这道菜再做一遍，让他知道我用的都是很普通的佐料，那么，即使他不愿再吃我的那道菜，至少也会给个公正的评价：我既没偷懒，也没画蛇添足，所以难吃怪不得我。
波粒二象性最初是从光身上发现的，所以让我们从对光的本质的认识谈起。
人类对光的认识最早可以追溯到我国的战国时期，那时墨子做了世界上最早的“小孔成像”实验，首次提出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。
此后的一千多年里，人们陆续发现了光的反射、折射现象，但对光的本质的思考，却延至17世纪才开始。1655年，意大利数学家格里马第在实验中让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，他发现在两小光斑的边缘有一种明暗相问的条纹，这让他联想起了水波的干涉，于是格里马第提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光的波动说。
到了18世纪，科学史上的一位巨人一一牛顿也开始对光的本质问题发生兴趣。牛顿笃信原子论，认为世间万物都是由原子构成的，光也不例外，所以他提出，光是由微粒构成的。
用光的微粒说很容易解释反射、小孔成像等现象，解释折射虽然麻烦点，但也勉强过得去。但是为什么两束光彼此交叉却互不影响呢?假如光是粒子，那么两束光相交，彼此应该相撞才是，怎么能相安无事呢?这可没法用微粒说来解释。
与牛顿同时代的另一位科学家惠更斯则认为光是一种波，他发展和完善了光的波动说。用惠更斯的 波动说很容易解释光的反射、折射以及交叉传播互不干扰等现象，但惠更斯当时把光看成是像声波一样的纵波，所以另有一些现象比如光的偏振(因为偏振是横波特有的一种现象)，是他无法解释的。
这样看来，光的微粒说和波动说当时各有缺陷，但因牛顿在学术界的巨大威望，微粒说一直占据着主导地位。
到了19世纪，英国物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生怀疑。杨氏做了一个著名的双缝实验，观察到了明暗相间的条纹，这种现象称为光的干涉。干涉现象是波所特有的，微粒说无法解释。
此外，人们还发现了光的衍射现象：假如你用一块纸板挡住一束光，纸板上只留一个小孔，那么纸板后面会留下一个光斑；孔开得越小，光斑也越小。那么，孔开得非常非常小的时候，光斑是不是也变得非常非常小了呢?不是的。当孔小到一定程度，后面的光斑反而变大了，而且出现明暗相间的图案。这就是光的衍射现象。光的衍射也是只能用波动说才能解释的一种现象。
托马斯·杨还进一步修正了惠更斯的波动说，提出光波是一种横波，而不是纵波，这样就能解释光的偏振和其他种种曾经困扰波动说的现象了。这一来，微粒说开始转向劣势。
给微粒说致命一击的是英国物理学家麦克斯韦，他提出光其实是一种电磁波。他的说法后来被德国物理学家赫兹所证实。到了这个时候，光的微粒说基本上已经没有市场。
但是光的波动说也并非无懈可击。19世纪末，科学家发现某些金属在光的照射下会释放出电子，这一现象被称为光电效应。光电效应让人困惑之处在于：当光的频率大于某个值时，入射光哪怕十分微弱也可以瞬间产生电子；当光的频率小于某个值时，入射光再强、照射时间再长，也无法产生电子。这一点用光的波动说是无法解释的。因为按波动理论，任何频率的入射光，只要照射时间足够长，金属中的电子积累了足够的能量，总可以飞出金属表面。
光的双重身份
对光电效应的正确解释是爱因斯坦给出的。此前，德国物理学家普朗克已经提出量子假说。这个假说认为，物质辐射或吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，这就好比说，你买鸡蛋的时候，只能买整数个，不能买半个；这个最小的能量单位叫普朗克常数，是一个固定的数值。
爱因斯坦提出，我们也应该把光的能量看成是一份一份的，每一份能量可以看成是一个光子，每份光子的能量是普朗克常数与频率的乘积。至于光照强度，只是光子的数量多少而已。
对于金属中的电子，它要想跑出金属表面，需要克服金属的吸引力，这个数值是固定的。金属中的电子一次只能与一个光子作用，当光子的频率(也就是光子的能量)小于某个数值时，它不足以把电子打出金属表面，那么即使光照时问再长，强度再大也一样不起作用。这就好比你开枪朝一块铁皮射击，一颗子弹就可以击穿铁皮，因为这时子弹的动能很大；但如果不用枪，而是你拿大把的子弹用手掷过去，你用的子弹再多，掷的时间再长，也依然一粒都击穿不了，因为这时每粒子弹的动能都太小了。
这么一来，光的微粒说在某种程度上又复活了。但单凭微粒说毕竟无法解释光的干涉、衍射等现象，所以物理学家不得不接受这样一个尴尬的事实：光具有双重身份，既是粒子又是波，有时表现为粒子，有时又表现为波。
一切物体皆具有波和粒子的双重身份
你也许会说，那么这样理解可不可以：波动性是光的集体行为，粒子性是光的个体行为?这就好比一串珠，每一个珠代表一个光子，当整串珠振动起来的时候就表现出波动性?这个想法很直观，可惜科学上证明是错误的。
物理学家做过这么一个实验：用一架每次只能发射一个光子的仪器向一个显示屏发射光子，中途光子要经过两条并排的、很细的狭缝。在实验中控制好，只有等一个光子到达显示屏后，才发射下一个光子。起初，显示屏上出现一个亮点，表示有一个光子已经打在显示屏上了。随着实验的进行，这些点越积越多，最后几率波的含义竟然出现了明暗相问的干涉条纹!
如果光的波动性是光子的集体行为，那么光的干涉现象是容易理解的。我们可以说，之所以产生干涉，是因为许多光波相互叠加，它们的波峰或者波谷彼此相消或者相长，所以出现了明暗相间的条纹。但是现在，每次只有一个光子通过狭缝，周围没有别的光子与它作用，怎么也会出现干涉条纹呢?由此，科学家不得不承认，单个的光子也有波动的特性。
事实上科学家后来发现，不仅光子，其它的实物粒子，比如电子、原子甚至分子，也表现出波动的特征。比如，在上面那个实验中，把光子换成电子甚至大分子碳60，在显示屏上也一样产生干涉条纹。推而广之，宇宙间万物，小至基本粒子，大至天体部具有波粒二象性，只是宏观物体的波动性很不明显、不易观察而己。
如何理解波粒二象性
我们平常所说的水波是大量水分子做上F振动产生的，可是现在人们发现，单个的光予、电子就具有波动的特性，这如何理解?
说到这里，你可别皱眉头，我们又要不得不涉及深奥的量子理论了。
在中学物理课上，如果你面对一个波形图，老师会告诉你，这个波形横坐标x轴代表的是空间位置，纵坐标代表波的振动幅度。在波峰或波谷处，振动幅度最大，在x轴与波相交的位置，振动幅度则为零。
可是如果是一张粒子的波形图，量子物理学家却会告诉你完全不同的内容。没错，横坐标还是代表空间位置，但纵坐标代表的却是在该位置出现这个粒子的概率!比如说，在波峰或波谷处，出现这个粒子的概率最大，而在x轴与波相交的点上，出现这个粒子的概率为零。这就是说，我们应该把单个粒子的波理解成一种“概率波”，它告诉我们这个粒子出现在空间某处的概率!
你也许会说，既然量子物理学家所说的“波”与我们通常理解的波不一样，干嘛他们还要用“波”的名字以至于把我们搞糊涂呢?这是因为这种“波”虽然十分特别，却依然保留有普通波在空间中弥漫以及几列波可以相互叠加的特性。
除非遇到障碍，波总是倾向于充满整个空问，这一点是容易理解的。你在池塘里用手轻轻点一下水面，水波就荡漾开去，过一会儿传遍整个池塘。至于波的叠加，你也不会陌生。当两列水波相遇的时候，在波峰对波峰，或者波谷对波谷的地方，水面就上升或者下凹得更厉害了；而在波峰对波谷的地方，水面突然变得平静了。事实上，波的干涉正是波的叠加特性引起的。
有了这点知识，现在让我们回头看看物理学家是如何解释上述单光予双缝干涉实验的吧。
当一个光子发射出去后，因为其波动性，光子的波就朝整个空间弥漫开了。光子好像具有分身术，一部分波穿过一条狭缝，一部分波穿过另一条狭缝，这两部分波相互十涉。本来，假如是普通的波，干涉的结果引起的是振动幅度发生变化，但现在既然振动幅度代表的是粒子的概率，那就是说，干涉的结果使得显示屏上不同位置出现光子的概率发生了差异，有的位置出现光子的概率大，有的位置出现光子的概率小。在发射了大量光子后，那些出现光子概率大的区域，接收到的光子多，就比较明亮；那些出现光子概率小的区域，接收到的光子少，就比较暗，于是就形成了明暗相问的图案。
的确，把粒子的波动性解释成粒子在空间某处出现的概率，这在我们日常的宏观世界中完全找不到类似的例子，因此不要说我们普通的读者，就是物理学家自己也不好解释，像爱因斯坦这样的大物理学家就终生反对这种解释。但是物理学家走到这一步也是迫不得己啊，因为除此之外，他们已经尝试过许多别的解释了，都行不通。现在的这种解释虽然显得有些古怪，毕竟已经解决了许多问题。至于它是暂时的呢，还是已经一锤定音，再也不会被推翻，这谁都不好说。也许科学自身的发展会解决这个问题的。
|
