正在阅读《波粒二象性 是波还是粒子?》
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我们的世界中每一样物质都由分子构成。这些分子是好几种不同原子聚在一起的集合。如果有足够的能量,我们可以将原子的组成部分,即基本粒子,拆分出来。据我们今天所知,基本粒子本身不由任何东西构成,它就是组成物质的基础材料。

这些基本粒子是什么样的?它们是“东西”吗?我们一说起“东西”,总会产生特定的印象——因为我们对它实在太过熟悉,所以很难想象任何与之不同的事物。

宏观物体有几个重要的属性:它们是“实在的”,一样东西存在于某个地方,另一样东西就无法存在于那个地方。这和“一样东西始终在某处而不在他处”的概念密切相关。一样物体可以延伸,有一定的体积,但我们其实可以把它分成若干部分。所以,其实我们可以把它想成粘在一起的几样物体。**也有类似的情况:你可以把一杯水倒进另一杯中,但是我们其实心里知道这种行为就是把组成**的小粒子混合在一起。

“东西”的另一个重要特点是它们有某种物理属性,比如位置(即它在哪儿)、速度(它能移动多快)和其他几个性质,像能量、角动量等等。即便我们不知道其中一个属性的值,“东西”也永远具有这些属性。

电子的行为像波……

只可惜,上述所有这些,没有一条符合基本粒子的实际情况!以电子为例,它是一种较轻的粒子,是负载电的粒子。如果有电流流过一根电缆,那是因为电线中的电子在朝着一个方向流动。

电子和任何其他基本粒子都一样,是一种相当奇妙的事物。它的行为不同寻常,而是遵守着量子物理学的法则。举例来说,它没有一定的位置。这意味着它不适用“在这儿所以就不在那儿”的情况,它只有一定的可能性在某个点被找到。可能性的总和以波函数来描述。我们可以把波函数想成湖面上的水波,在那些振幅非常大的地方——换言之,好比水面活动大的地方——找到电子的可能性就很高。而在振幅消失的位置上,也就是水面完全平静的地方,我们很可能找不到电子。

我们继续以波做比,找到电子的可能性可以分散、反射、相互干涉。总之,还有很多水波可以做的事,电子也一样能做到。电子这种奇怪的行为有一个特别著名的例子,你可以在“双缝实验”一节中看到。

……但是也像粒子!

提醒你一下,这并不意味着你可以通过分解波函数把电子一分为二。一个电子永远就只是它自身,永远保持着不变的质量和电量。你确实可以分解电子的波函数,但那只意味着你可以让波的一部分向一个方向运动,让它的另一部分向另一个方向运动。不过,这件事的意义也仅限于此。当我们实际上去看电子在哪里的时候,我们会发现整个电子既在一个方向上,也在另一个方向上;如果,你平均分解了波函数,那么电子在两地的可能性各占一半。

到底是哪一个?两者都是!

电子(和其他粒子)的波粒二象性可以简化总结为:电子是一种单一的、不可见的粒子。但是这种粒子从一点运动到另一点的方式和水波的运动方式非常相似。

其实量子粒子还有许多奇怪的属性,它们多多少少和波粒二象性有关联。举例来说,你可以让一个电子同时走上两条路,而且它能自然地穿过通常无法穿过的障碍。无论何时,都很难准确地确定电子的位置,至少如果你想知道它的速度有多快的话。一般来说,一个电子可以同时出现在几个不同的地方——起码在你仔细观察之前是这样的。

因此,既然椅子是由这么离奇的粒子组成的,怎么不能说椅子也是古怪的呢?

好,现在我们达成了共识,微观世界和宏观世界不一样:我们日常生活中接触的物体的行为是传统的,基本粒子的行为则遵循着量子物理学的法则。可是,等等,我们在本节开篇不是说了吗?宏观物体,如门、椅子、岩石和布朗尼蛋糕,本质上是由许许多多基本粒子组成的。那为什么由量子粒子组成的事物行为不按量子方式运动呢?为什么一块岩石的行为不能像电子一样呢?

要回答这个问题,你最好了解一下,以岩石为例,通常电子波函数在一块岩石中扩展的距离只有几埃,1埃为10-10米。另外,你要知道,这可不是电子的大小,而是我们最可能找到电子的区域的大小。岩石中其他的粒子,如质子和中子,波函数的扩展范围甚至只有电子的1/2000。但是,岩石中半径为几厘米的范围内通常包含着约1024个粒子(一个极大的数字)。岩石本身相对有一些量子的模糊性:岩石中的粒子在几埃的距离内来回运动,但岩石会停留在原地。也许岩石的表面(即岩石与空气的交界处)有一些量子不确定性,但是这种不确定性至多也是几埃的量级。因为量实在太小,我们根本注意不到。

这里还有一个例子:如果电子撞上一堵不太厚的墙,它有一定的可能性消失,然后出现在墙的另一端(这叫作“隧穿”)。假设这个可能性为10%。可如果你冲着一堵墙扔石头,要想让石头在墙的这端消失,在另一端出现,需要让所有的粒子都通过“隧穿”到墙的另一端!这种事发生的可能为10-24,即10-22%!因此,如果你从时间诞生之初就开始朝着一堵墙扔石头(140亿年,即4·1017秒),石头穿到墙的另一端的可能性依然大约只有一千万分之一!因此观察到宏观物体以量子方式运动是极端不可能的。

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