离奇而迷人的量子物理学：人类也是一种波
全文共4027字，预计学习时长11分钟
（该图摄于2015年。众所周知，光同时具有波和粒两种属性。而物质粒子也具有波状属性却鲜有人知。即使体型像人类一样巨大的物体也具有波状属性，只不过很难进行度量。）“它是波还是粒子？”在量子领域，这一问题看似简单，却难以回答，答案取决于问题的切入点。当一束光穿过两条缝时，它是波。而当同一束光射到导电金属板上时，它又成了粒子。在适当条件下，可以通过测量光量子（即光的基本量子）的类波或类粒子反应，验证现实的离奇双重性质。现实的这种双重性不仅局限于光，而且还可适用于所有的量子粒子：电子、质子、中子，甚至是极大的原子团。事实上，如果能将其定义，粒子或粒子集有多么“类波”就能进行量化。在适当条件下，即使是人类，也会表现出量子波性质。（不过，这种测量需要运气。）
（当众多中高能量光子撞击晶体时会发生上图的情况，即光线穿过色散棱镜，分离成清晰可辨的不同颜色。若光子在离散空间中撞击该棱镜，晶体只能移动离散而有限的空间步长，仅有单个光子可以进行反射或投射。）关于光是波还是粒子的争论可以追溯到17世纪，当时，物理学史上的两位伟人对该问题的观点截然不同。一方面，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）提出了光的“微粒”学说，在这个理论中，光呈现出粒子属性：沿直线（射线）运动，可进行折射和反射，并像其他物质一样具有动量。牛顿用这种方法预测了很多现象，并解释了多种色光如何构成白光。另一方面，克里斯蒂安·惠更斯（ChristiaanHuygens）则推崇光的波动理论，他指出干涉和衍射之类的特性本质上都是波状的。惠更斯对波的研究无法解释的一些现象，牛顿的微粒理论可以解释，反之亦然。然而，19世纪初，情况变得更有意思了，新的实验开始真正揭示了光本质上是波状的。
（最初，克里斯蒂安·惠更斯提出了光的波状特性。随后，托马斯·杨（ThomasYoung）的双缝实验突显了相长干涉和相消干涉效应，更好地诠释了这一特性。）如果让一个装满水的鱼缸产生水波浪，然后装入一个有两条“狭缝”的屏障，让波浪从中穿过，会看到这些波纹相互干扰。有些地方，波纹会叠加，产生比单个波浪更大的涟漪。而有些地方，波纹相互抵消，波纹经过时水面保持平静。这种具有相长（加）和相消（减）干涉交替区域的干涉图样组合是波的特征。200多年前，托马斯·杨在系列实验中首次发现，光也呈现出上述波状图案。随后几年里，科学家开始发现一些与常识愈发不符的光的波状属性，如单色光照射球体的实验，该实验不仅在球体外部形成了波状图案，而且在阴影中间也形成了一个中央峰。
（实验结果显示了围绕球形物体的激光以及实际光学数据。值得注意的是菲涅尔（Fresnel）证实了一个明亮的中心光点会出现在球体投射的阴影中，这完美验证了光学波动理论的“荒谬”预测。弗朗索瓦·阿拉戈（Francois Arago）进行了最初实验。）19世纪晚期，麦克斯韦（Maxwell）的电磁理论衍生出一种无电荷的辐射形式：以光速传播的电磁波。最终，光波有了数学基础，它是一种电磁推论，一个自洽理论的必然结果。正是通过思考这些光波，爱因斯坦才得以设计并创立了狭义相对论。光的波动特性是宇宙的基本现实。但这并非处处通用。因为光在许多重要方面也会以量子粒子的形式表现。· 其能源量化成的单个包被称为光子,每个光子都包含特定的能量。· 超过一定能量的光子可以使电子脱离原子；低于这个能量的光子，无论光的强度是多少，都无法脱离。· 通过任何我们所能设计的实验设备，都能以单个依次的形式产生并发送单个光子。这些发展和认识综合在一起，可以说是所有“怪异”量子中最令人费解的证明。
（就像其他任何波一样，利用光进行的双缝实验会产生干涉图案。认为不同颜色光的属性与不同颜色的单色光波长有关。颜色越红，波长越长，能量越少，而干涉图样越广泛；颜色越蓝，波长越短，能量越高，而干涉图中的极大值和极小值聚得越紧密。）如果将一个光子发射到有两条狭缝的障碍物上，可以测量该光子撞击屏幕时另一侧的有效距离。如果把这些光子依次单个相加，就会出现一种干涉模式。假设许多不同光子相互干扰，当通过这种设备单个依次发射光子，出现连续光束时，会发生同样的模式。不知为何，单个光子会相互干扰。通常，围绕该实验的讨论与各种实验装置有关，这些实验装置用于测量（或不测量）光子通过的狭缝，在这个过程中破坏或维持干涉图案。该讨论是探索量子双重性质的关键部分，因为它们既能表现为波，也能表现为粒子。表现形式主要取决于交互方式。实验时可以用大质量的物质粒子代替光子，也能达到同样的出色效果。
（电子的波状属性与光子一样，可以像光线一样用来构造图像或探测粒子大小。（在某些情况下，甚至可以做得更好。）这种波状特性适用于所有的物质粒子，甚至包括复合粒子和理论上的宏观粒子。）最初，你可能会这样想：“光子既可以作为波，也可以作为粒子，但那是因为光子是辐射的无质量量子。它们有波长，这解释了类波表现，但它们也有一定的能量，这又解释了类粒子表现。”你可能会认为，物质粒子具有质量，携带能量，且从字面意思上定义为粒子，所以它们总是以粒子形式表现。而上世纪20年代初，物理学家路易斯·德·布罗意（Louis deBroglie）提出了不同的观点。他指出，对于光子来说，每个量子都有一个能量和一个动量，这与普朗克常数、光速以及每个光子的频率和波长有关。物质的每个量子也有一个能量和一个动量，也具有同样的普朗克常数和光速值。通过和光子同样的方式重新排列这些术语，德布罗意能够为光子和物质粒子定义一个波长，即用普朗克常数除以粒子的动量。
（当电子发射到目标上时，它们会以一定角度衍射。测量电子的动量能够确认它们以类波还是类粒子形式表现。1927年，戴维森-格默实验对德布罗意的“物质波”理论进行了第一次实验证实。）数学定义有其道理，但想要真正检验物理概念还需进行观察和实验：预测必须与对宇宙本身的实际检验进行比较。1927年，克林顿·戴维森（Clinton Davisson）和莱斯特·格默（Lester Germer）向一个产生过光子衍射的目标发射电子，结果产生了相同的衍射图案。与此同时，乔治·佩吉特（George Paget）向薄金属箔发射电子，也产生了衍射图样。不知何故，作为物质粒子的电子本身，也表现出波的属性。随后的实验揭示了具有该波状行为的多种不同形式物质，包括比点电子复杂得多的形式。诸如质子和中子的复合粒子也表现出此类波状行为。可冷却至纳米级温度的中性原子证实了德布罗意波长大于一微米，约是原子的万倍。即使有2000个原子的分子也显示出波的性质。
（2019年，科学家们实现了有史以来最大分子的量子叠加：一个拥有超过2000个单个原子叠加成总质量超过25000个原子质量单位的分子。这说明了在实验中使用的大分子的离域。）大多数情况下，当一个典型粒子（或粒子系统）的动量足够大，会导致与之相关的有效波长太小而无法测量。以每秒1毫米的速度运动的尘埃粒子的波长大约是10^-21米：约比人类通过大型强子对撞机探测到的最小波长还要小100倍。而一个以同样速度运动的成年人的波长仅有10^-32米，或仅比普朗克尺度大几百倍。在这个长度尺度上，物理学不再有意义。然而，即使一个成年人约由1028个原子如此大的宏观质量构成，整个人体所相关的量子波长已足够具有物理意义。事实上，对于大多数真实粒子来说，只有两件事决定波长：· 静止质量· 移动速度
（至少在理论上，物质波可以用于放大或阻碍某些信号，这能在很多有趣的应用中起效，包括使某些物体有效隐身。这可能会让现实中的隐身装置得以实现。）一般来说，这意味着有两种方法可以让物质粒子表现为波。一是把粒子质量减少到一个尽可能小的值，因为低质量的粒子会有更大的德布罗意波长，这使得量子行为规模更大（更容易观察）。二是降低正在处理的粒子速度。在较低温度下达到的较慢速度，转化为较小的动量值，这会得到更大的德布罗意波长，以及更大规模的量子行为。物质的这种特性开启了一个令人着迷的可行技术新领域：原子光学。鉴于大多数成像都是严格地用光学，也就是光来完成的，我们可以用慢速运动的原子光束来观察纳米级结构，而不会像高能光子那样干扰它们。到2020年，凝聚态物理学有一个完整的子领域致力于超低温原子及其波动行为的研究和应用。
（2009年，科学家发明了量子气体显微镜，可以在晶格量子中测量费米子原子，这或许会导致超导性等实际应用的突破。）科学界有不少看似深奥的理论，以至于一般人想不到它们是如何发生的。在当今世界，很多像是粒子能量达到新高，天体物理学进入新领域的基本操作，似乎纯粹是智力练习。然而，不少理论在提出时，那些奠定了此科学基础的研究者却并未预想到，如今它会被人们公认为重大技术突破。最初发现并发送无线电波的海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）认为他只是在证实麦克斯韦的电磁理论，爱因斯坦从未想到相对论能使GPS系统成为可能，量子力学的创始人从未考虑过计算的进步或晶体管的发明。
图源：unsplash但是今天，可以肯定的是，我们越接近绝对零度，整个原子光学和纳米光学领域的发展就会越快。也许有一天，甚至能够测量整个人类的量子效应。不过，你可能更乐意让一个低温冷冻的人来进行测试。
如转载，请后台留言，遵守转载规范