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量子力学告诉你:你的身体也是波粒二象性的

科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第二课:波粒二象性】

可以说伽利略与牛顿建立起了物理学,在此之前并没有物理学这门学科,研究自然的学问叫自然哲学,其与物理学的根本区别在于实验。

物理学是研究自然现象的科学,归根结底就是研究物质的组成,相互作用和运动规律的学科。

面对多彩缤纷的自然世界,人们总会发问,组成这一切的物质是什么?它们是否可无限细分?

其实早在2400多年前的古希腊时期,德谟克利特就主张“原子论”,不过他认为的原子和现在所认知的原子完全不同。他认为世界万物就是由一种基本元素构成,这种元素很小且是不可再分实体“小球”。这种实心小球的排列组合顺序构成了大千世界的千变万化,这就是他心中的原子。

直到两千多年后的18世纪,人们才用实验证实了原子的存在。不过那时候对原子的认识还很肤浅。

牛顿对原子的探索并没有什么建树,之后人类对原子的认识经历了道尔顿的实心球模型,汤姆逊的葡萄干蛋糕模型,卢瑟福的行星模型,玻尔的能级模型和电子云模型。

原子模型发展史

我们现在知道了原子是由原子核和核外电子构成,原子核又由质子和中子构成,原子核的正电属性是由质子体现出来的,中子是不带电的。并且原子的质量几乎都聚集在原子核上。

其实在19世纪之前,人类并不了解原子内部的构造,也更不了解电子的运动。所以那时候牛顿力学的危机并不是很突出。直到科学家观测到原子核外电子的运动时,牛顿力学彻底在微观领域失效了。按照牛顿力学的计算,电子这种东西严格来说就不应该存在于原子核外。它应该直接和质子中和掉。

按照经典力学的解释,带正电的质子会产生电场,而电子在这种电场中蹦跶不了多久就会被吸引到质子上,并与其抵消。

可是电子的运动完全不是这样的,电子依旧蹦跶得很活波,经典力学的统治时代宣告解释。

经过了一个世纪的探索,我们可以自信的说,量子力学在次原子级别是正确的。我们现在知道了众多的微观粒子,以及它们的相互作用形式。自然界存在四种力,按照作用的强度依次分为:强相互作用(核力),电磁力,弱力,引力。

四大相互作用力

物理学家从电磁力传播所依赖的电磁场中得到启示,其他三种力也应该是通过“场”来传递力的。物理学家继续从电磁力传播所依赖的传播子(光子)中得到启示,其他三种力也应该通过各自的传播子完成的。也就是说,这四种力,每一种都是依赖场中的传播子进行的。

但有场未必有传播子,而有传播子一定有场的存在

静止电荷会产生电场,在电场中的其他电荷会因此受到作用,但这其中并没有光子这样的传播子。如果静止电荷运动起来,那其造成的电场也会是波动的,变化的电场就会产生变化的磁场,电磁场就此产生。电磁场的传播子是光子,光子是一份份运动的能量,这些能量通过质能方程E=MC²转换成光子的质量,并且具有波粒二象性。

波粒二象性

我们最早知道了光是波粒二象性的,随后的电子双缝干涉实验证明了电子也具有波粒二象性。其实除了微观粒子,整个宇宙中的所有物体,不管是微观的电子还是宏观的星球都是物质波。

或许这有些难以理解,我可以从简单的电磁波讲起。电磁波其实就是核外电子辐射出的一份基本能量,电子是带负电的电荷,电子总是在运动,那么电子就会产生变化的电场,进而导致变化的磁场,变化的磁场又产生变化的电场,就这样电磁场就传播开来了,电磁场可以传播能量,这能量就是光子。

光子是如何运动的?

知识补充:光是一种电磁波,电磁波传播速度c=波长λ×频率f,真空中光速恒定。

光子不仅是一种粒子也是一种波,光子的运动频率不同导致了形形色色的电磁波产生。光子的运动频率从100hz到10的27次方不等,其名称依次可以是电扰动,无线电,雷达波,可见光,X射线,伽马射线.....

电磁波波长排序

电扰动虽然也是电磁波,但频率很低,波长就很长,甚至可以达到数千公里,从一个波峰到另一个波峰的距离太远了,所以波动的性质并不明显。就好像是在湖面上相隔10公里才有两个凸起的波浪,这个湖面会显得很平静,所以电扰动更像是场。

而无线电,雷达波的频率就高出电扰动的好几个数量级,它们的波长就更短,波峰距离不大,更像是波。

可如果频率继续增加,比如宇宙中的伽马射线,它虽然也是电磁波,但其频率极大,导致波长极短,有的波长才10的负14次方米,比原子半径还小到多。那么这些电磁波的波峰距离就极短,两个波峰更像是浑然一体的粒子了,而不像是波。

所以从电磁波的波长高低来划分,波长长的更像场,波长中等的更像波,波长短的更像粒子。

所以光子的频率差异会让其体现出显著的粒子态或波动态。但不管如何,光子同时具有波动性和粒子性。

德布罗意的物质波告诉我们,人类也是波粒二象性的,只不过人体波动的频率太大了,而波长太小了,以至于现有的仪器都无法观测到这种波动,所以人体更显得是个实在物体。

既然所有的物质都是波粒二象性的,那么夸克也是(目前发现原子内部最小尺度的粒子),倘若还有比夸克还小的粒子,那么它也是波动的。宇宙中数百个基本粒子构成了宏观世界的多样性,基本粒子之间的作用关系很复杂,我们甚至都理不清它们之间的关系。

但唯一可以确定的是所有粒子都是波动的,光子是波动的能量,这种电磁波因频率的不同时而表现出粒子性,时而表现出波动性。当然我们可以借助这种思想建立一种大一统理论。

我们假设,现在所说的光子,电子压根就不是什么基本粒子,而是由一种更小的波动能量构成,这种波动就是超弦理论中的弦,弦的不同振动形式会表现出不同的基本粒子。

那么我们就可以从更小的尺度统一已知的基本粒子,我们找到弦的振动规律,就知道基本粒子的生成机制,包括费米子,传递四种相互作用的玻色子,生成质量的希格斯玻色子以及尚待发现的引力子。这些粒子的作用和特性太冗杂了,我们很难把它们在现有的物理框架中统一起来。而超弦理论则正是大一统理论的理想候选者!

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