量子基础
波粒二象性(wave-particle duality)
往池塘里扔一颗石子,涟漪会向外扩散、相互叠加,时而增强时而抵消。打开手电筒,光束看上去像一串微小的子弹沿直线飞行。长久以来人们争论:光到底是波还是粒子流?量子物理给出的惊人答案是:这个问题本身就提错了。光,乃至物质,在某些实验里表现得像波,在另一些实验里表现得像粒子,单凭任何一幅图像都不是全部真相。
具体来说:让一束光,甚至让电子一个一个地,射向开有两条窄缝的挡板。每个电子打在后面的屏上都是一个点,像粒子一样。但大量电子落下后,这些点会堆积成明暗相间的条纹,正是波同时穿过两条缝时产生的干涉图样。也就是说,每个电子像一列铺展开的波,同时探查了两条缝,却又被探测为一个局域的小团。光也是如此:它以离散的能量包(光子)传递能量,却像波一样传播和干涉。
这种二象性是粒子物理学的根基。每一个电子、夸克、光子和中微子都由一列波描述,波的起伏告诉你在此处或彼处找到该粒子的概率。当物理学家发射高能束流去探查质子内部时,正是在利用这些束流的波动本性。一个常见的误解是:粒子有时是波、有时是粒子,来回切换;更准确的说法是,它是一种单一的量子客体,其波动性与粒子性取决于你测量什么而显现。
用单个电子做的双缝实验:每个电子以一个点的形式到达,但成千上万个点却堆积出与波相同的干涉条纹。
一种客体,两副面孔:粒子式的探测,波动式的传播。
二象性不是两种经典事物的各占一半;它表明波和粒子这两个日常概念对量子世界都不够用。
又称
另见