趣谈“波粒二象性”

2015-03-13 20:34阅读：

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趣谈“波粒二象性”

“波粒二象性”是量子力学的概念，听起来非常玄虚深奥，吓人的很。我想试试看，能不能用最通俗的方法讲给文科生听？

趣谈“波粒二象性”

一、宏观世界中，粒子是实物，波是能量
首先我们举最普通的例子，最常见的“波”无非是水波，一圈圈的涟漪，越传越远。最常见的“粒子”就好比是乒乓球吧。一比较就发现，波和粒子最大的不同，即“粒子”是实物，有直径，有硬度。而“波”则不是实物，不是具体的可以分成一粒一粒的东西。也许你会说，水波不就是水吗？不也是实物吗？不也可以分成一粒一粒的水分子吗？
错了，水波并不是水本身，你只要把乒乓球扔进水波里就会发现，它只随着水波在原地上下起伏，但并不能飘远。这说明虽然水波越传越远，却并不是水分子越传越远，只是那个“波形”越传越远。

你看看麦浪就清楚了，麦浪也是一种波，风一刮，也像水波一样可以越传越远，但麦子传出去了没有？没有，它只在原地上下点头。而传出去的是什么？只是“波形”，这个东西才是“波”呢。

趣谈“波粒二象性”

麦浪也是一种波

那么这个“波形”又是什么呢？就是能量。比如海浪就是一种水波，地震激起的海啸可以造成巨大灾难，它其实就是把地震的巨大能量通过水波传到了海岸上。又比如声波也是一种能量，巨大的噪音能震破我们的耳膜，甚至震死人。超声波还能切削金属，都是靠的能量。
所以，这一下粒子和波的本质区别就得出来了，粒子是实物，而波则是能量，它不是一粒一粒的，而是一大片，模模糊糊，空空如也的一个能量场。比如我们知道的电磁波、引力波都是能量场。
能量场也能传播，也能运行，也有速度，但就是不能分成一粒一粒，它只能以波的形式存在。

二、微观世界中既是粒子又是波
在我们周围的世界中，粒子和波是分得清清楚楚的。但到了微观世界界限却显得模糊了，分不清了，同一个东西，既是波又是粒子，非常奇怪。这就是所谓“波粒二象性”。
一开始发现波粒二象性，是“光”，牛顿认为“光”是粒子，因为它能像子弹似的直线传播、反射。而惠更斯则认为“光”是波，因为它能像水波、声波似的产生干涉、衍射。
我们拿子弹来比，子弹穿过木板上一个小洞之后，仍然直线飞行，不会扩散开，而水波、声波穿过一个小洞之后，就会扩散开。
而光恰好既像子弹又像声波，光线穿过小洞时，的确，我们可以看到它像子弹似的走直线。但当这小洞非常微小时，穿过去的光线就能扩散，就不像子弹了。
也就是说，光就是典型的“波粒二象性”的东西，所以既可以叫“光子”，表明它是粒子，也可以叫它光波，这又成波了。
其实电子、质子，等等，凡是微观粒子，全都是这样——既是粒子又是波。

三、怎样知道粒子具有波性？
我们怎样检验一个东西是不是波？有个办法，那就是衍射。只要是波一定存在衍射。
什么叫衍射？让一束波通过一个小孔，或者一个障碍，当小孔或障碍的尺寸跟波长相近时，在后面的靶子上就会出现一些明暗相间的复杂图样，这个原因稍微复杂一点儿，就不讲了，总之是波和波互相干扰形成的。有衍射就一定是波。
我们以典型的粒子——子弹为例。我们打靶时，由于各种因素的扰动，子弹不可能永远打在10环正中心，但打得多了，比如一千发，一万发，就能看出弹着点均匀的分布在10环周围，越靠中心越密。
如果我们以电子为子弹来打靶，让电子也像光似的通过一个小孔（即铜膜的晶格），再打在靶子上，它也不可能全部落在同一个点上，也是散布在中心周围。但奇怪的是，这时它的弹着点并不均匀分布，而是以靶心为中心，分布成环状，一圈一圈的，如果你用真子弹打靶，永远不可能得到这种结果。
这就是微观粒子和宏观粒子的区别，那一圈一圈就叫做衍射环，能打成这种图样，就说明它具有波动性。
当年牛顿和惠更斯为光的本性争得一塌糊涂，惠更斯就以这种实验来反驳牛顿，搞得牛顿没脾气。

趣谈“波粒二象性”

衍射环
四、波和粒不过是表现方式，像粒子还是像波取决于频率
在宏观世界，粒子和波分得清清楚楚，但如果你要打破砂锅璺（问）到底，电子、光子到底是波还是粒子？那只好回答你，粒子和波都不是它的本质，只是在不同条件下的不同表现方式而已。这个条件就是它的频率。
确切的说，频率越高就越像粒子，频率越低就越像波。
我们都知道，光波实际上不过是无线电波中的一段，也就是频率比较高的无线电波，我们用肉眼可以看到的那一小段，从红光到紫光，就叫可见光。
这个电磁波序列，从低频到高频是这样的：长波、中波、短波、超短波、微波、红外光、可见光、紫外光、伦琴射线（X光）、γ射线。

趣谈“波粒二象性”

频率越低的电磁波（长短波等等）就越表现出波的样子，散成一大片，频率越高，则定向性越好，如γ射线，就表现得像粒子，所以我们也叫做γ光子，好像一粒一粒的子弹似的，能定向发出细束，能量集中，所以才那么厉害，甚至可以叫做γ刀，能切肉切血管。
其实声波也是这样，低频声波能量就低，而高频，比如超声波，能量就非常高，可以烧开水，洗零件，甚至可以切削钢铁。

五、说到底粒和波就是能量的聚和散
频率高意味着什么？就是能量高。基本粒子的能量有一个著名公式
E＝hμ 或 E＝mc^2
文科生别一见公式就害怕，就躲避，这个公式是最最简单的，不过是三个物理量的比例关系而已。在前面那个公式中，其中E是能量，h是个常数，μ就是光的频率，也就是说，粒子的能量与它的频率成正比，频率越高，能量就越高，也就越像个粒子。
或者这么说，粒子就是能量的集中，而波就是能量的发散。打个不恰当的比方，捏紧拳头就是能量的集中，一拳能打死人，伸开巴掌就是能量的分散，一巴掌扇过去只能听个响声，那就是波——声波。
后面那个公式就是著名的质能关系式，前面是能量，后面是粒子的质量乘以光速的平方。
从这个公式可以看出来，任何一个小小的粒子，一点儿质量，里面都蕴藏着大量能量，因为它乘以光速的平方，那数字就大得不得了。我们熟知的巨大的核能其实只是这个能量的一点点零头，只取出来这么一点儿就吓死人了。
现在我们就看出来了，什么叫质量？其实就是能量的浓缩。所以每颗“粒子”其实就是一小粒高度浓缩的能量包，把它打开，撒出去成一大片，就成了波，也就是能量场，比如电磁波。
我们前面说，粒子是实物，而波是能量，在宏观上可以这么说，到了微观就不完全准确了。准确地说，粒子只是把能量集中到一个点上，藏起来了，而波不过是把能量表现出来了。
原子弹的“炸药”是铀，装在弹体内时，就那么一小块。但一爆炸就厉害了，其实并不是全部质量都变成能量，在这个裂变过程中，只是其中的一小点儿质量变成了能量，就大得炸平了广岛。其中变掉的那点儿质量就叫做“质量亏损”，也就是说，只须把质量“亏损”掉一点儿，变成能量，就足以排山倒海，把人体瞬间化为原子。
到现在我们才完全闹清楚了，对微观粒子来说，所谓波粒二象性，其实不过是它的两种表现而已，这些基本粒子的本质到底是什么？其实就是能量。把能量浓缩起来就表现为粒子，把能量铺开来，放出去，就是波。所谓波粒二象性就这么简单。

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