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电子是粒子还是波?

 汉上踏歌 2017-10-30

感谢邀请。

这个问题是量子力学的入门级问题。我要先说明,在经典物理里的粒子和波与量子物理里的粒子与波完全不一样。经典物理里的粒子,一般等同于质点;波就是大量粒子振动(oscillation)的集体行为。换言之,经典力学里的粒子和波是两码事儿。但是到了量子力学,情况不一样。粒子和波是统一的,或者说成是一个客体的两个不同表示(representation)。所以,电子既是波又是粒子。我们不能够用经典力学的观点去看量子力学,或者说不能用经典力学的思想方法去研究诸如电子(electron)、光子(photon)、质子(proton)等等粒子。

现在我谈一谈,为什么电子既是波又是粒子。如果说电子是波,就一定有波方程;如果是电子是粒子,就一定有描写粒子的方程,也就是哈密顿力学里的正则方程。对于经典力学,两套方程完全无关,也就是说,无论怎么改写波方程都得不到正则方程,反之亦然。而量子力学里,这两套方程完全等价。我们把建立在波方程之上的量子力学图像叫做薛定谔图像(或者绘景);把建筑在正则方程之上的量子力学图像叫做海森伯格图像(绘景)。在量子场论里还有一种思路,就是各退一步,即既有波方程,又有正则方程,这就是相互作用绘景。三种绘景完全等价。也就是说,描写电子,可以完全只考虑它的粒子性,也可以完全考虑波动性,甚至可以一半一半儿,既考虑波动性也考虑粒子性。这种等价性,就说明粒子等于波。

而事实上,量子力学里的粒子,仅仅是借鉴经典力学的说法,为的是表述方便。为什么这么说呢。一方面是接受问题。我们是从经典物理学起的,然后学量子力学。这就导致,经典力学的概念早已根深蒂固,同时我们也不能完全撇开经典概念,这就造成会有粒子还是波的疑惑。另一方面,确实是因为把电子说成粒子比说成波有更多的方便。说成是粒子,我们可以不假思索地把质量、动量等等力学量搬过来加以使用;而说电子是波,那就得重新定义这些量。

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