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“波粒二象性”是量子力学的概念,听起来非常玄虚深奥,吓人的很。我想试试看,能不能用最通俗的方法讲给文科生听?
一、宏观世界中,粒子是实物,波是能量
首先我们举最普通的例子,最常见的“波”无非是水波,一圈圈的涟漪,越传越远。最常见的“粒子”就好比是乒乓球吧。一比较就发现,波和粒子最大的不同,即“粒子”是实物,有直径,有硬度。而“波”则不是实物,不是具体的可以分成一粒一粒的东西。也许你会说,水波不就是水吗?不也是实物吗?不也可以分成一粒一粒的水分子吗?
错了,水波并不是水本身,你只要把乒乓球扔进水波里就会发现,它只随着水波在原地上下起伏,但并不能飘远。这说明虽然水波越传越远,却并不是水分子越传越远,只是那个“波形”越传
越远。
你看看麦浪就清楚了,麦浪也是一种波,风一刮,也像水波一样可以越传越远,但麦子传出去了没有?没有,它只在原地上下点头。而传出去的是什么?只是“波形”,这个东西才是“波”呢。
麦浪也是一种波
那么这个“波形”又是什么呢?就是能量。比如海浪就是一种水波,地震激起的海啸可以造成巨大灾难,它其实就是把地震的巨大能量通过水波传到了海岸上。又比如声波也是一种能量,巨大的噪音能震破我们的耳膜,甚至震死人。超声波还能切削金属,都是靠的能量。
声音的传播
所以,这一下粒子和波的本质区别就得出来了,粒子是实物,而波则是能量,它不是一粒一粒的,而是一大片,模模糊糊,空空如也的一个能量场。比如我们知道的电磁波、引力波都是能量场。
能量场也能传播,也能运行,也有速度,但就是不能分成一粒一粒,它只能以波的形式存在。
二、微观世界中既是粒子又是波
在我们周围的世界中,粒子和波是分得清清楚楚的。但到了微观世界界限却显得模糊了,分不清了,同一个东西,既是波又是粒子,非常奇怪。这就是所谓“波粒二象性”。
一开始发现波粒二象性,是“光”,牛顿认为“光”是粒子,因为它能像子弹似的直线传播、反射。而惠更斯则认为“光”是波,因为它能像水波、声波似的产生干涉、衍射。
我们拿子弹来比,子弹穿过木板上一个小洞之后,仍然直线飞行,不会扩散开,而水波、声波穿过一个小洞之后,就会扩散开。
而光恰好既像子弹又像声波,光线穿过小洞时,的确,我们可以看到它像子弹似的走直线。但当这小洞非常微小时,穿过去的光线就能扩散,就不像子弹了。
也就是说,光就是典型的“波粒二象性”的东西,所以既可以叫“光子”,表明它是粒子,也可以叫它光波,这又成波了。
其实电子、质子,等等,凡是微观粒子,全都是这样——既是粒子又是波。
三、怎样知道粒子具有波性?
我们怎样检验一个东西是不是波?有个办法,那就是衍射。只要是波一定存在衍射。
什么叫衍射?让一束波通过一个小孔,或者一个障碍,当小孔或障碍的尺寸跟波长相近时,在后面的靶子上就会出现一些明暗相间的复杂图样,这个原因稍微复杂一点儿,就不讲了,总之是波和波互相干扰形成的。有衍射就一定是波。
我们以典型的粒子——子弹为例。我们打靶时,由于各种因素的扰动,子弹不可能永远打在10环正中心,但打得多了,比如一千发,一万发,就能看出弹着点均匀的分布在10环周围,越靠中心越密。
如果我们以电子为子弹来打靶,让电子也像光似的通过一个小孔(即铜膜的晶格),再打在靶子上,它也不可能全部落在同一个点上,也是散布在中心周围。但奇怪的是,这时它的弹着点并不均匀分布,而是以靶心为中心,分布成环状,一圈一圈的,如果你用真子弹打靶,永远不可能得到这种结果。
衍射环
这就是微观粒子和宏观粒子的区别,那一圈一圈就叫做衍射环,能打成这种图样,就说明它具有波动性。
当年牛顿和惠更斯为光的本性争得一塌糊涂,惠更斯就以这种实验来反驳牛顿,搞得牛顿没脾气。
四、波和粒不过是表现方式,
像粒子还是像波取决于频率
在宏观世界,粒子和波分得清清楚楚,但如果你要打破砂锅璺(问)到底,电子、光子到底是波还是粒子?那只好回答你,粒子和波都不是它的本质,只是在不同条件下的不同表现方式而已。这个条件就是它的频率。
确切的说,频率越高就越像粒子,频率越低就越像波。
我们都知道,光波实际上不过是无线电波中的一段,也就是频率比较高的无线电波,我们用肉眼可以看到的那一小段,从红光到紫光,就叫可见光。
这个电磁波序列,从低频到高频是这样的:长波、中波、短波、超短波、微波、红外光、可见光、紫外光、伦琴射线(X光)、γ射线。
频率越低的电磁波(长短波等等)就越表现出波的样子,散成一大片,频率越高,则定向性越好,如γ射线,就表现得像粒子,所以我们也叫做γ光子,好像一粒一粒的子弹似的,能定向发出细束,能量集中,所以才那么厉害,甚至可以叫做γ刀,能切肉切血管。
其实声波也是这样,低频声波能量就低,而高频,比如超声波,能量就非常高,可以烧开水,洗零件,甚至可以切削钢铁。
五、说到底粒和波就是能量的聚和散
频率高意味着什么?就是能量高。基本粒子的能量有一个著名公式
E=hμ 或 E=mc^2
文科生别一见公式就害怕,就躲避,这个公式是最最简单的,不过是三个物理量的比例关系而已。在前面那个公式中,其中E是能量,h是个常数,μ就是光的频率,也就是说,粒子的能量与它的频率成正比,频率越高,能量就越高,也就越像个粒子。
或者这么说,粒子就是能量的集中,而波就是能量的发散。打个不恰当的比方,捏紧拳头就是能量的集中,一拳能打死人,伸开巴掌就是能量的分散,一巴掌扇过去只能听个响声,那就是波——声波。
后面那个公式就是著名的质能关系式,前面是能量,后面是粒子的质量乘以光速的平方。
从这个公式可以看出来,任何一个小小的粒子,一点儿质量,里面都蕴藏着大量能量,因为它乘以光速的平方,那数字就大得不得了。我们熟知的巨大的核能其实只是这个能量的一点点零头,只取出来这么一点儿就吓死人了。
现在我们就看出来了,什么叫质量?其实就是能量的浓缩。所以每颗“粒子”其实就是一小粒高度浓缩的能量包,把它打开,撒出去成一大片,就成了波,也就是能量场,比如电磁波。
我们前面说,粒子是实物,而波是能量,在宏观上可以这么说,到了微观就不完全准确了。准确地说,粒子只是把能量集中到一个点上,藏起来了,而波不过是把能量表现出来了。
原子弹的“炸药”是铀,装在弹体内时,就那么一小块。但一爆炸就厉害了,其实并不是全部质量都变成能量,在这个裂变过程中,只是其中的一小点儿质量变成了能量,就大得炸平了广岛。其中变掉的那点儿质量就叫做“质量亏损”,也就是说,只须把质量“亏损”掉一点儿,变成能量,就足以排山倒海,把人体瞬间化为原子。
到现在我们才完全闹清楚了,对微观粒子来说,所谓波粒二象性,其实不过是它的两种表现而已,这些基本粒子的本质到底是什么?其实就是能量。把能量浓缩起来就表现为粒子,把能量铺开来,放出去,就是波。所谓波粒二象性就这么简单。
见闻觉知本非尘,识海波生自味身。
状似碧潭冰沫覆,灵王翻作客中宾。
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