波与粒子：不可测度的二元性

波与粒子：改变物理学的谜题

量子世界的不可及性

像电子、光子、质子、原子这样的粒子世界，无法通过我们的感知器官（包括大脑）触及。没有任何图像、任何解释能够表示量子世界的实在，甚至我们语言中的词语对于描述量子现象也是近似的。

关于这个实在，所能说和所能展示的一切都是虚假的，但我仍然会尝试让您了解量子物理学的这个基本概念——波粒二象性，尽管这个术语今天已经过时，因为我们应该谈论场。

态的叠加

在量子力学中，我们经常听说一个粒子既是粒子又是波。实际上，它既不是粒子也不是波，而是粒子所有态的叠加。

量子粒子的现代定义

技术定义如下：量子粒子是一种基本实体，代表局域在时空中的能量和信息的量子化，受叠加、纠缠和非决定论原理支配，并由态函数（态矢量）在希尔伯特空间中数学描述。

换句话说，既不是粒子也不是波的量子粒子，可以定义为由量子力学和量子场论描述的基本场的量子化激发。

被称为杨氏双缝实验的现代描述。

实验装置

观察到的四种行为

• 当将粒子（固体）发送到有两个缝的墙上时，每个粒子通过其中一个缝，向各个方向反弹，撞击点在缝后面的屏幕上有些随机地留下标记。
• 当将波发送到同一面墙上时，波通过两个缝，通过缝产生两个小波，它们会叠加，在某些地方相加，在另一些地方相消，屏幕上出现干涉条纹。
• 当发送量子物体时，它通过两个缝，像波一样干涉，但当它碰到屏幕时，突然缩减为一个点，更确切地说是在两个小波相加的地方。经过大量试验后，既出现像粒子一样的撞击点，也出现像波一样的干涉条纹。
• 但如果添加一个观察者来知道粒子通过哪个缝，波现在在缝的水平上缩减为粒子，一次只通过一个缝。此时在屏幕上测量到的是撞击点而非干涉。

N.B.：
如何解释这个实验？如果想要确定一个量子系统的态，就必须观察它，但这种观察的效果是破坏所讨论的态。

当物质起舞时：波粒二象性的解读

量子尺度

量子物理学的尺度如此之小，以至于不可能像在海滩上看波浪或球那样看到量子物体。氢原子的尺寸为53 pm（53 x 10^-12米），在一毫米上可以排列一千万个原子。

观测与波包缩减

杨氏实验告诉我们，当我们测量一个量子物体时，它会改变性质。有时是粒子，有时是波，而且这取决于测量装置或观察者。

杨氏双缝实验还告诉我们，当量子物体不受任何环境影响时，它表现为波。但如果环境（屏幕、墙、观察者甚至空气分子）迫使它相互作用，物体或者更确切地说是它的能量突然缩减为一个点，呈现出粒子的外观。

我们在屏幕上注意到，波前不是在任何地方都缩减，而是在波强烈的地方缩减，即在波峰或波谷处。换句话说，缩减的概率在波的顶部和底部比在斜坡上更大。在波反相的地方甚至为零。

如果逐个发送粒子，最令人惊讶的是，在大量测量之后，最终尽管波包缩减，我们仍然获得干涉条纹。

马克斯·玻恩的概率波

1927年，马克斯·玻恩（1882 - 1970）提出了一种解释。粒子是一个概率波。这个可怕的定义显示了当人们想要谈论量子物体时遇到的困难。

更简单地说，是波在给定位置的振幅预测了粒子处于该位置的概率。 振幅高并不意味着粒子就在那里，但那是我们最有可能找到它的地方（在波包缩减之后）。

需要记住的要点

量子世界的概率性质

在量子力学中，我们无法知道粒子是否位于空间中的精确点，但可以知道它位于那里的概率是多少。只有当它必须与环境相互作用时，它才会有位置；在此之前它没有位置，它无处不在，其性质是波状的。就像一颗恒星发出的光子。当它作为波自由旅行了数百万年之后，到达您的视网膜时，它将与之相互作用而消亡。

量子力学的方程一旦我们接受它是概率问题，就变得惊人地精确。构成宇宙的所有物质（恒星、行星、树木、您等）都是由原子和亚原子粒子组成的，它们受概率而非确定性支配。