光的两副面孔
到 1900 年代初，人们逮住光过着双重生活。在一类实验里，它铺展开来、绕过拐角、形成干涉条纹——这正是水波的行为。在另一类实验里，比如上一篇讲的光电效应，它像一阵微小子弹的冰雹打过来，一次一个包。两幅图景都没错。光确实两者皆是，取决于你对它做什么。
这种「拒绝只当一种东西」，叫做波粒二象性。诚实的总结很谦逊：光既不是一种偷偷假装成粒子的波，也不是反过来。它是它自己那一类东西，而我们熟悉的两个词——「波」和「粒子」——各自都只是一幅局部的画像，在不同情形下各有用处。
德布罗意大胆的猜想
1924 年，一位年轻的法国物理学家路易·德布罗意问了一个大胆到像玩笑的问题：如果一向被认为是纯粹波的光，也表现得像粒子——那么一向被认为是纯粹粒子的物质，会不会也表现得像波？一个电子，一小团东西，会不会也有一个波长？
他把它写成了一个公式。他提出，每个运动的物体都有一个德布罗意波长：拿普朗克常数，除以这个物体的动量（大致就是它的质量乘以速度）。越重或越快，波长就越短。曾经统治光子的同一个常数 *h*，如今也统治着物质——它是粒子世界与波世界之间通用的汇率。
为什么你不会泛起波纹
如果万物都有波长，为什么抛出的棒球从不铺展、从不干涉？因为 *h* 小得惊人，而你大得惊人。你走路时的德布罗意波长，比一个原子还要小得无法想象——小到根本无从察觉。物质的波动性是真实的，但对任何比原子大的东西，它都深埋在任何探测希望之外。
可电子太轻了，它的波长和一个原子的大小相当。在那个尺度上，波动性不是一个可忽略的小数点——它就是整出戏。这是对化学最重要的一个事实：在原子内部，电子是波动的。我们将会看到，正是这种波动性，把它们的能量逼到了固定的横档上。
现行被抓：会衍射的电子
德布罗意的想法本可能只是一个漂亮的猜想，仅此而已——但没过几年，实验就当场逮住了电子。一束电子打到晶体上，铺展成与水波穿过栅格时一模一样的、明暗相间的扇形环纹。那种花样叫做衍射，只有波才会做。单凭粒子根本做不出来。
这不是一个可以归档了事的奇闻——它变成了一件工具。正因为电子的波长这么短，电子束能「看见」远比光更精细的细节，这正是电子显微镜背后的原理，它让我们看见单个病毒和原子。德布罗意那个俏皮的问题，如今就坐在每天都在使用的实验仪器里面。
化学家为什么在意
这就是它对化学的回报。一个被限制在小区域内的波，不能随便是什么形状——它必须「装得下」，就像两端被固定的吉他弦只能唱出某些音。如果原子里的电子是波，那它们就只能取某些「装得下」的形状，因而只能取某些能量。波粒二象性，认真对待，就预言了我们上一篇遇到的那些一级一级的能级。
所以光与物质这种奇怪的双重生活，不是一个哲学脚注。它是整套现代原子理论赖以建立的地基——正是这套理论，最终解释了原子为什么有它们那样的大小、形状和化学个性。下一篇将把这个波的想法，变成量子力学的核心方程。