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电子是粒子,电子也有波粒二象性?

说到波粒二象性,很多人首先会想到的或许就是光。光具有波粒二象性,光是电磁波,但也具有粒子特性,爱因斯坦的光电效应已经验证了这点,而爱因斯坦也因为发现了光电效应获得了诺贝尔物理学奖。

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

何为“光电效应”?简单讲,如果光仅仅是波,它就不可能把电子从金属表面撞击出来,只有光像离散的光子包,才可能从金属表面把电子撞出来,而光子包其实就是光的粒子性。

爱因斯坦发现的光电效应,初步确定了光的波粒二象性,让“光到底是粒子还是波”的争论暂时告一段落。

但是接下来更大的问题出现了:是否只有光拥有波粒二象性?微观粒子是否同样拥有这种特性呢?

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

物理学史上一个非常重要的实验彻底改变了人们对世界的认知,甚至让我们自认为真实的世界突然变得“模糊”起来!

这就是著名的电子双缝干涉实验。

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

电子是粒子,这是20世纪初科学界的普遍认知。但是电子双缝干涉实验彻底颠覆了当时的科学界传统认知。

实验大致是这样的。人类科技的不断发展,科学家已经拥有了单独操控单个电子的能力,于是他们就做了这样的实验:让电子一个一个地通过狭窄的双缝,按照传统思维,电子是粒子,只能通过其中一条缝隙,而且在后面的屏幕上应该只会留下一条明亮条纹。

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

但结果出乎了所有人的意料,屏幕上出现了多条干涉条纹,这意味着什么?意味着电子表现出了波的特性,只有波动性才会出现这样的干涉条纹。

更为奇怪的是,科学家是一个一个发射电子的,单个电子怎么能同时穿过两条缝然后自己与自己发生干涉呢?

于是,科学家就想看看单个电子是如何通过双缝的,以及通过双缝后在后面的屏幕上会呈现怎样的状态。

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

接下来就发生了让人“毛骨悚然”的事情了。当科学家用仪器观测电子的行为时,屏幕上的多条干涉条纹神奇地消失了,电子“乖乖地”表现出离子性。而一旦科学家不再观测电子的行为,干涉条纹又出现了,电子又表现为波动性。

这样的实验结果震惊了当时的科学界,太违反人们的直觉了,但实验结果摆在那里,是如此的真实,如此的震撼!

到底该如何解释?

著名物理学家德布罗意在1924年提出了“物质波”的概念。何为“物质波”?简单说,万物都有波动性,都有一定的波长。这看似荒谬的“物质波”理论其实一点也不荒谬。

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

德布罗意给出了波长公式:λ=h/ p,公式中h是普朗克常数,非常小的数值,只有6.626X10^(-34) ,p是物质的动量。

通过公式可以看出,物体的动量越大(或者说质量越大),能量越大,德布罗意波的波长就越小。这也是为什么我们所在的宏观世界实际上不可能感知到物体的波动性,因为宏观世界的物体质量都太大了(当然是相对于微观世界)。

举个例子,一个质量只有0.1千克的小球以1米每秒的速度运动,那么这个小球的德布罗意波只有6.6*10^(-33)m,如此微小的波长不要说人眼去感知了,人类最精密的仪器也测量不出来。所以我们在宏观世界感受到的只有物体的粒子性。

再回到上面的电子双缝干涉实验,这个实验并不是随便就可以做的,有一个重要前提:只有当微观粒子的波长与狭缝的宽度大致相当时,微观粒子才会表现出明显的波动性。

如果你想用宏观世界的物体做类似“电子双缝干涉”这样的实验(比如说上面所说的质量为0.1千克的小球),意味着你需要把狭缝的宽度控制在6.6*10^(-33)m左右,目前人类技术远远达不到这种精度。

但是电子的波长相对来说就很大了,这是因为电子质量很小速度很快,人类科技可以设计出让电子表现出波动性的狭缝。

德布罗意的“物质波”概念彻底改变了人们对世界的传统认知。本质上来讲,你我,甚至整个宇宙都具有“波粒二象性”,你我都有波动性,只不过这种波动性太微乎其微了,现实中可以忽略不计。

但纯理论上分析,只要有波动性,就拥有波的一切特性,这意味着万事万物的位置都不是绝对确定的,一块在地面上静止不动的石头看似静止的,其实石头的位置是不确定的,因为它有波动性。

你我的位置也是不完全确定的。比如你躺在床上进入梦乡,一动不动,但你可能“无处不在”,甚至可能在月球上或其他任何地方,你的位置只能用概率来描述,只不过你躺在床上的概率最高,当然概率高到让其他概率可以忽略不计!

电子是粒子,电子也有波粒二象性?

从这点来讲,爱因斯坦反击波尔时所说的“不看月亮时,月亮就不存在吗?”,答案可能是这样的:不看月亮时,月亮一定存在,但有可能真的不在那里(当然是纯理论分析),可能在别的任何地方!因为月亮也具有波动性,我们不能完全确定月亮的位置。当然月亮的波动性就更低了。

宇宙为何拥有如此奇妙的现象?万物的这种“波动性”似乎让世界更加混乱,甚至失去了意义,但正如德格拉斯·泰森所说:宇宙没有义务对我们有意义!

或许宇宙本身就无所谓“意义”,它就是这样存在着,总是让人捉摸不透!

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