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最后更新:2025年10月2日

波与粒子:一种深不可测的二元性

波与粒子之间:二象性的奥秘
在这张约5百万分之一毫米(5×10⁻⁹米)的图像中,你可以数出48个像波一样行为的铁原子。这些并非真实的原子,而是为了便于大脑理解而在可见光域中构建的想象表征。该图像是通过测量扫描隧道显微镜探针在原子表面移动时产生的极微小电流而生成的。图片来源:IBM阿尔马登可视化实验室

波与粒子:改变物理学的谜题

诸如电子、光子、质子、原子等粒子的世界,是无法通过我们的感知器官(包括大脑)所触及的。没有任何图像或解释能够呈现量子世界的真实面貌,甚至我们语言中的词汇也只能近似地描述量子现象。

关于这一实在所能言说和展示的一切皆为虚妄,但我仍将尝试让你了解量子物理学中这一基本概念——"波粒二象性",尽管这个术语如今已显过时,因为我们应当谈论的是场。

在量子力学中,我们常听说粒子既是粒子又是波。实际上,它既不是粒子也不是波,而是粒子所有状态的叠加。

技术定义如下:量子粒子是一种基本实体,代表时空局域化的能量与信息量子化,遵循叠加、纠缠和非决定论原理,并通过希尔伯特空间中的状态函数(状态向量)进行数学描述。

换言之,一个既非粒子也非波的量子粒子,可被定义为由量子力学与量子场论所描述的基本场的量子化激发。

现代描述杨氏双缝实验

注: 来自网站Tout est quantique的波粒二象性的现代解释。

注意:如何解释这个实验?如果我们想要确定一个量子系统的状态,就必须对其进行观测,但这种观测会破坏该状态。

当物质起舞:波粒二象性解密

量子物理的尺度极小,我们无法像观察海滩上的波浪或气球那样直接看到量子物体。一个氢原子的尺寸为53皮米(53×10⁻¹²米),在一毫米的长度上可以排列1000万个原子。

杨氏实验告诉我们,当我们测量一个量子物体时,它会改变其性质。它有时是粒子,有时是波,而且这还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、墙壁、观察者,甚至空气分子)迫使它发生相互作用,该物体——更确切地说是其能量——会突然坍缩为一个点,呈现出粒子的形态。

我们在屏幕上注意到,波前并非在任意位置缩减,而是在波强处缩减,即波峰或波谷处。换言之,波峰与波谷处的缩减概率大于波面斜坡处,甚至在波相相反的位置缩减概率为零。

如果我们逐个发送粒子,最令人惊奇的是,在大量测量之后,尽管波包发生了坍缩,最终我们仍然得到了干涉条纹。

1927年,马克斯·玻恩(1882-1970)提出了一种解释:粒子是一种概率波。这个令人费解的定义揭示了我们在谈论量子对象时所面临的困难。

简而言之,波在某一位置的振幅决定了在该位置发现粒子的概率。高振幅并不意味着粒子一定在那里,而是意味着我们最有可能在那里找到它(在波包坍缩之后)。

总结如下:

在量子力学中,我们无法知道粒子是否存在于空间中的某个精确位置,但可以知道它出现在那里的概率。只有当粒子必须与环境发生相互作用时,它才会具有位置;在此之前,它没有位置,它无处不在,其本质是波动的。这就像恒星发出的光子一样。当它以波的形式自由传播数百万年后,一旦抵达你的视网膜并与之相互作用,它便会消亡。

量子力学的方程一旦我们接受其涉及概率,便展现出惊人的精确性。构成宇宙的所有物质(恒星、行星、树木、你等等)均由原子和亚原子粒子组成,而这些粒子受概率而非确定性支配。

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