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！