波粒二象性——物质其实是矛盾体

     波动是自然界中常见的现象。例如，生活中随处可见的水波，传递声音的声波，还有传递能量和信息的电磁波等。

     粒子在日常生活中更为常见。南方人一日三餐碗中的大米饭是粒子形状，粘在面包表面的芝麻是粒子形状，很多水果的种子都是粒子形状……我们习惯借用宏观世界的粒子形状来理解微观世界的物质。例如，光、电子、原子之类物质，我们喜欢将他们想象成粒子形状的东西。虽然人类的大脑虽然具有抽象能力，但要描述或理解事物，必须得借助日常经验到的物体形象。

     在宏观世界，事物要么表现为粒子的形态，要么表现为波的形态，不可能表现出既是粒子又是波的形态。就像一个物体，不可能既是圆形又是方形。

     但在微观世界，两种看起相互矛盾的东西，却可以同时呈现在一起。例如，在双缝干涉实验中，光表现为波态；关掉其中的一个缝隙，光则表现为粒子态。双缝干涉实验表明，光具有粒子和波两种形态，也可以叫做波粒二象性。

     波粒二象性，是指所有的微观粒子或量子系统，不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。大家也可以简单地理解为“在微观世界，粒子具有波的特性，波也具有粒子的特性”。波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。在非观察的情况下，微观量子系统处于粒子态和波态的叠加态。

                        

     经典的“粒子”概念和“波”概念，无法完整描述量子系统的物理行为。

     1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应现象，进一步证明了光是一种粒子。爱因斯坦说：“好像有时我们必须用一套理论，有时候又必须用另一套理论来描述（这些粒子的行为），有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难，这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实，两种观点单独是无法完全解释光的现象的，但是合在一起便可以。”

     1924年，德布罗意大胆提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。这一假说后来被电子衍射试验所证实。电子衍射试验说明电子也是一种粒子。

     有意思的是：电子是作为一种假想的粒子而被发现的，后来证明了它也是波；光本来被证明是电磁波的，后来发现它也是粒子。

     1929年，奥托·施特恩团队完成的氢、氦粒子束衍射实验，演示出原子和分子的波动性质。

     1999年，维也纳大学研究团队观察到C60的衍射。C60是一种由60个碳原子构成的分子，形似足球，又名足球烯。

     2003年，维也纳研究团队演示出由108 个原子组成的氟化巴基球分子的波动性，在量子—经典界限附近，观测到大分子的波动现象。

     2013年，科学家通过实验证实，质量超过10000u的巨型分子，也能发生干涉现象。

     2015年，瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。

                        

     在日常生活中，人们之所以观测不到物体的波动性，是因为它们的质量太大，可能发生波动性质的尺寸非常微小，现有仪器几乎无法观测得到。

     需要提醒一下，对于大分子的波动性，大家不要理解为这些“物质颗粒”的运动轨迹，就像蛇一样，走弯弯曲曲的波浪线。同样要像理解电子的波动性一样，这些“物质颗粒”的波动性，是指它们在某一空间内出现的概率。它们同样像电子一样，在同一时刻，可以出现在不同的地方。在非观测的情况下，它们的位置是一种叠加态，具有不确定性。

                        

     记得前段时间，我曾经说过，DNA分子在复制的过程中，会受到“不确定性原理”的影响，从而发生翻译错误。很多朋友表示不同意，认为分子作为一种宏观物质，不适用于量子力学解释。今天了解了大分子的衍射实验，应当转变一下观念。

     微观事物的波动性，归根到底，属于量子的不确定性。也正是这种不确定性，才导致了基因复制无法做到百分之百准确，于是基因变异造就了五彩缤纷的生命世界。