關(guān)于物質(zhì)“波粒二象性”的認(rèn)識

摘 要：上世紀(jì)初及更早的時候，“光是波動，因此不是粒子；電子是粒子，因此不是波動”這樣的觀念被牢牢地固化在人們的頭腦中。然而，后來在事實面前物理學(xué)家們又不得不承認(rèn)光子和實物粒子等微觀客體具有“波與粒子的兩重性”。所謂的既像“波動”又像“粒子”，是指它們在某些情況下表現(xiàn)得類似于經(jīng)典的“波動”，而在某些情況下又表現(xiàn)得類似于經(jīng)典的“粒子”。這種奇怪的“二象性”其實恰恰說明微觀客體即不是經(jīng)典的波動又不是經(jīng)典的粒子，也不是把兩者加在一起的東西，而是一種既無直觀對應(yīng)又不能用經(jīng)典語言描述的實在。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)；光波；粒子；二象性

光究竟是什么？是粒子還是波？這個問題爭論了三百年之久。自牛頓、惠更斯各樹一幟之后，菲涅耳、麥克斯韋和赫茲等人的工作，有力地支持了光的波動說；而1905年愛因斯坦對赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)的解釋，說明了光是一種粒子即光子，至此確立了光的“波粒二象性”。1924年德布羅意大膽假設(shè)，實物粒子同光子一樣也具有“波粒二象性”，這一假設(shè)在1927年被戴維遜和革末的電子衍射實驗所證實，電子衍射實驗證實了電子的波動性。那么，電子是否還有可能顯出粒子性呢？用極微弱的電子束射向金屬箔的衍射實驗表明，如果曝光時間不長，底片上出現(xiàn)的只是一些不規(guī)則的感光點，只有當(dāng)曝光時間足夠長時，感光點才顯示出衍射花樣。感光點的出現(xiàn)表明電子是一粒一粒到達(dá)底片的，這正是電子粒子性的體現(xiàn)。

既然光和電子既是波又是粒子，那么在物理學(xué)上，到底什么叫波？什么叫粒子？物理學(xué)中所謂的粒子，是一個由一系列物理量，比如質(zhì)量、電荷、自旋等各種各樣固有屬性表征的客體，它具有能量、動量等各種各樣守恒量，但不一定有確定的軌道。同樣，物理學(xué)中所謂的波，是指某種物理量在空間的分布作周期性的變化，并且滿足相干性原理。它沒有規(guī)定到底是那種具體的物理量。那么，什么又叫“波粒二象性”呢？“波動”和“粒子”這樣兩個截然不同的概念是如何“結(jié)合”到一起的？在量子力學(xué)出現(xiàn)以前，人們從來就認(rèn)為波和粒子是兩種完全不同的客體。“光是波動，因此不是粒子；電子是粒子，因此不是波動”這樣的觀念被牢牢地固化在人們的頭腦中。在人類的理智看來互相矛盾著的兩種性質(zhì)，似乎在自然現(xiàn)象本身中以某種神秘而又無法解釋的方式分開著。然而，當(dāng)人們研究微觀物理現(xiàn)象時，先是發(fā)現(xiàn)光在某些方面很像粒子；繼而發(fā)現(xiàn)電子在某些方面又很像波動。居然存在著既具有波動性又具有粒子性的東西，這使人們感到很奇怪，普遍認(rèn)為這兒存在著某種悖論。但是，在事實面前物理學(xué)家們終究又不得不承認(rèn)光子和實物粒子等微觀客體具有“波與粒子的兩重性”。所謂的即像“波動”又像“粒子”，是指它們在某些情況下表現(xiàn)得類似于經(jīng)典的“波動”，而在某些情況下又表現(xiàn)得類似于經(jīng)典的“粒子”。這種奇怪的“二象性”其實恰恰說明微觀客體即不是經(jīng)典的波動又不是經(jīng)典的粒子，也不是把兩者加在一起的東西，而是一種既無直觀對應(yīng)又不能用經(jīng)典語言描述的實在。比如，實驗事實表明：單個光子或電子能同時穿過“雙縫”。描述這種物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)形式應(yīng)當(dāng)是包含波和粒子的某些性質(zhì)的某種巧妙的組合。

我們既然通過實驗發(fā)現(xiàn)了微觀客體的這一前所未見的獨特性質(zhì)，就應(yīng)該承認(rèn)我們過去的認(rèn)識是有限的，就應(yīng)該擴充我們的認(rèn)識以便接受這一新的事實。我們過去的語言是為描述經(jīng)典物理而發(fā)展起來的，在描述微觀現(xiàn)象時難免感到不夠用。我們只好將就地用“波動”和“粒子”這些術(shù)語來描述微觀客體，從而得出“波粒二象性”的提法，這就是量子物理學(xué)直觀解釋的困難之處。從邏輯上講，如果我們完成了某種發(fā)現(xiàn)，為了描述這種新的發(fā)現(xiàn)要求引入我們?nèi)粘嵺`中尚不知道的客體，這應(yīng)該是件好事情！例如，我們成功地揭示了原子現(xiàn)象的本質(zhì)，建立了描述這些現(xiàn)象的理論，雖然理論本身的形式和內(nèi)容都與任意一個宏觀理論不一樣。正是由于這個原因，直觀地解釋量子物理學(xué)相當(dāng)困難。也正是這個原因，造成了“波與粒子的二重性”。能否建立這樣的客體，它的行為時而像波，時而又像粒子？如果可以，則能否把這個客體包括到一個邏輯上前后一致的理論中去？能否對這個理論給出前后一致并且不矛盾的解釋呢？量子理論包含了這樣的客體——波函數(shù)和這樣的解釋--概率論。或許這個理論看上去是夠奇怪的。但是，如果一個質(zhì)量很小很小的微觀粒子，它的行為竟與行星這樣的物體完全一樣，那反而是更奇怪的事情。

那么，在什么意義上電子的行為像粒子呢？只有在一種情況下電子表現(xiàn)出粒子特性：它們只能以不連續(xù)的單獨份額的形式被觀察到。在引入了德布羅意波和玻爾關(guān)于波的解釋后，電子仍然是個不連續(xù)的客體，它有自己的以不可分割的整體的形式出現(xiàn)的電荷和質(zhì)量，但它已不再遵守牛頓運動定律了。這個客體由同它相聯(lián)系的波來描述，這個波的振幅的平方表示該客體在給定時刻位于空間的給定點上的幾率。所以，如果電子通過一個狹縫，那它不會有一條牛頓軌道，而是像具有這種波長的光那樣形成一個衍射圖樣。但是單個電子到達(dá)觀察屏?xí)r將在屏的確定點上引起閃光。并且它的質(zhì)量和電荷始終等于電子的質(zhì)量和電荷。而電子落到屏上這一點或那一點的幾率由波函數(shù)的平方?jīng)Q定，這個波函數(shù)與光波一樣，能夠散射和衍射。所以，如果講到不連續(xù)性，電子是個粒子；而按運動的性質(zhì)來說它是波。量子物理學(xué)的功績就在于它成功地創(chuàng)造了這樣一個客體，在這個客體中巧妙而且不矛盾地將這兩種性質(zhì)組合到了一起。

宏觀物體有沒有“波粒二象性”呢？因為宏觀物體質(zhì)量太大，它的德布羅意波長太小，以致于任何裝置都不能測出它的波動性來。就是說，不是宏觀物體沒有波動性，而是它的波動性在任何情況下都不會表現(xiàn)出來，因此經(jīng)典物理可以很好地適用于宏觀物體。

作者簡介：朱葉（1982-），女，河南鄭州人，河南省商業(yè)高等專科學(xué)校助教。