 我们都很熟悉佛家的三个境界：看山是山，看水是水；看山不是山，看水不是水；看山还是山，看水还是水。那是宋代禅宗大师青原行思提出的关于参禅的三重境界。这个境界已经有了很多哲学方面的阐释，适用于人生。而提起这三个境界，我第一个联想到的却是物理学中的波粒二象性现象。 光是这个世界上最平常的东西。圣经中上帝造物，造的第一个就是光。我们看光，也就是佛家的第一个境界：看光就是光。 但光到底是什么东西？ 在大自然中最直观的波就是水波，但其实更多的是看不见的波。科学家们发现电和磁都是一种波，还引进了诸如电场和磁场等场的概念。麦克斯韦尔在19世纪60年代提出：既然磁场可以产生电场，那么电场也可以产生磁场。他的麦克斯韦尔方程式确定了电磁学的法则，并预言了电磁波的存在以及电场和磁场穿过空间的结构。麦克斯韦尔的方程式可以推算出电磁波的速度与光速相等，因此他得出结论：光就是一种电磁波。电磁波还包括无线电、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，它们的频率（由此导致波长）不同。1887年，赫兹在实验室中产生并接收了电磁波。1901年，马可尼在大西洋之间传输了无线电波。 所有的波都具有一种特征：波干涉。两种或两种以上不同的波混合时会产生几种可能的结果。上图显示两个波的波谷和波峰重合，导致波的振幅增大，这称为相长干涉（constructive interference）。图B显示两个波，上面的波的波谷与下面波的波峰重合，导致波的对消，这称为相消干涉（destructiveinterference）。 尽管牛顿早就提出光由粒子构成，但是惠更斯却说：光是一种波。1800年，托马斯·杨通过双狭缝实验证明了光是一种波，因为在实验中，光束有干涉，这是只有波才有可能表现出的现象。1860年，麦克斯韦尔说：光是一种波。1905年，爱因斯坦为了解释光电效应，提出：因为光能集中在光子中，所以光表现出它好像是粒子一样。康普顿效应（Compton effect）显示：当光（X射线）与电子相互作用时，电子动能增长，同时光子波长也相应增大。在历史上，康普顿效应是许多旧时代的物理学家接受量子现实的决定性证据。 经典物理学预言：电子应该从光波中吸收能量，接着以相同的频率重新发射。而实验显示：光分散了频率更低的电子，好像光是与电子相互作用的一束粒子，就像两个台球相互碰撞一样。这样就产生了一个量子困境：如果光由粒子组成，那我们如何解释托马斯·杨的双狭缝实验中光所表现出的典型的干涉现象？光子通过了哪条狭缝？如果盖住了一条狭缝，干涉图案就消失。那么通过另一条狭缝的光子是如何“知道”第一条狭缝被盖住了？而如果在每条狭缝后放置光子探测器去“捕捉”穿过狭缝的光子，那么干涉的图案也会消失。此外，如果降低光的亮度，使每次只有一个光子通过狭缝，那么干涉图案还是会逐渐出现。每个光子肯定“知道”有双狭缝的存在。 由此，我们看光进入了第二层境界，看光不是光，因为不知道它到底是波，还是粒子。那它到底是啥东西？ 回答上面问题的量子答案是：光既是一种波，又是一种粒子。这就是光的波粒二象性。爱因斯坦因为这一理论而于1921年获得诺贝尔物理学奖。 波粒二象性意味着当你不去检测光时，它就表现出波的特征，呈现出干涉效应。此时它遵守麦克斯韦尔的方程式。光会分散，会穿过两条狭缝。因此，如果问光子穿过哪条狭缝，答案是都穿过！如果关闭其中的一条狭缝，波就不会干涉另一边，所以干涉的图案就消失。而当你对光进行检测，它就表现出粒子的特征，在光探测器中射出电子等等。 波和粒子之间有一种关联，不过这仅仅是一种统计上的关联。发现光子的概率与波幅相关：波在某一点上越强，就越有可能在那里发现光子。根据玻儿的并协原理（principle of complementarity），这两种特性对于描述光的行为都是必需的，且这两种现象不会同时显现：在干涉实验中，光表现波的特性，而在光电实验中，光表现出粒子的特性。 此时，我们进入第三层境界，看光是光。由于波粒二象性的理论，我们知道光既是一种波，也是一种粒子。 1923年，法国的路易·德布罗意（Louisde Broglie）亲王在其博士论文中提出：如果光表现出波和粒子的行为，那么应该也存在与实物粒子关联的“物质波”，且实物粒子的相关波长取决于该粒子的质量和速率：波长=h/mv。由于波长极其微小，而日常生活中的物体质量很大，所以我们不会注意到它们的物质波现象。但由于亚原子的粒子质量极小，因此粒子的波长可以与和它互动的系统规模相比。 德布罗意的物质波假设已经被电子衍射实验证明，它证明了电子也具有干涉和衍射等波现象。每个粒子都有波的方程式，在非相对论量子物理学中就是薛定谔的方程式。波是一种连续的、延伸的存在，在量子物理学中，“波”包括描述实物粒子行为的薛定谔方程式的解，这导致量子隧穿（quantumtunneling）等不同寻常的现象，即一个粒子可以穿过经典物理学认为其没有足够能量可以逃逸的障碍。这个已经被原子核外出现的放射性粒子所证明。且太阳核中的氢原子核克服电斥力的“障碍”，聚变产生氦，在此过程中，释放出太阳的能量。 波粒二象性和量子力学中的海德堡不确定性原理都是大自然固有的特征。它们完全颠覆了我们对于宇宙原有的看法。由于这些理论已经得到实验的反复证明，因此它们早已成为科学理论，而不是玄学上忽悠人的想法。正是这些理论，使我们看待日常生活中平常的东西具有不平常的特征。而一旦理解它们以后，宇宙显现出比以前我们所知道的更加丰富、更加迷人的样子，也吸引着我们不断去探索，以满足我们的好奇心。 |
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