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。
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。
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)。
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。