化学中的量子理论
波粒二象性(wave–particle duality)
想象日常生活里两样截然不同的东西:一颗弹珠,是你能握住、能精确定位的小球;以及池塘上的一圈涟漪,它会散开、绕过障碍,还能与别的涟漪叠加,形成明暗交错的图案。在日常世界里,没有东西能同时是这两者。但在光和电子的尺度上,同一个对象在某些实验里像弹珠,在另一些实验里却像涟漪。这种「两面派」的行为,就是波粒二象性。
更准确地说,波粒二象性是这样一条原理:每一个量子对象——光、电子,乃至整个原子——都同时带有波动的和粒子的性质,它显露出哪一面,取决于你怎么观察它。让光穿过两道窄缝,它就像波一样发生干涉,形成条纹;让光照在金属上,它又一份一份地把电子打出来,像一阵粒子的冰雹。单凭任何一种图像都不完整,两者都需要。
诚实地说,「波」和「粒子」都是从大尺度生活借来的人类图像,而一个量子对象其实两者都不是——它是它自己那一类东西,只有用波函数才能被完整描述。二象性并不是对象身上的矛盾,而是一个信号:我们日常的两种图像,各自不过是更深层实在投下的一道局部影子。对化学来说,电子波动的那一面,正是赋予原子各种轨道形状的根源。
把电子一个一个地射向一块开有两道缝的屏幕。每个电子落下时都是一个单独的点,像粒子。但当成千上万个点累积起来后,它们堆叠成明暗交替的条带——一种只有波才能产生的干涉图样。每个电子似乎都以波的方式穿过了两道缝,最后又以粒子的方式抵达。
一个双缝实验,两种本性:以波的方式行进,以粒子的方式落点。
二象性并不是说对象在时间上来回切换。同一个单独的实验无法同时把两面都完整展现出来;一旦你试图探测电子走的是哪道缝,干涉就消失了,因为测量会迫使系统呈现出粒子的那一面。
又称
另见