鬼魅的量子力学（3）波粒二象性的诡异之处

　　文/老余
　　我们都知道光有＂波粒二象性＂，但我敢肯定当时大家只是为了考试，极少有人去深究这事儿到底有多诡异、多不可思议。
　　我当时还以为：
　　光具有波的性质，是从宏观角度看一束光或者一片光；而光具有粒子的性质，是从微观角度来看的。
　　就像水波，宏观看有波动性，但微观看是由无数的水分子组成的，也就是粒子性。
　　但这个理解大错特错了。
　　完全不是宏观与微观的角度区别，因为：
　　——单蹦儿一个粒子，也具有波的性质！
　　一个粒子，能展现粒子本身的一面很好理解，但它还能展现波的一面，这就超出了常规的理解范畴。
　　你细品，一个粒子，也就是一个＂点＂，它是怎么个波动法呢？是像白娘子那样霹雳舞般扭动身体？还是像醉汉般走＂之＂字形？
　　为搞懂这个问题，本篇说三点：
　　1、我们对电子形态的理解为何是错的？
　　2、电子到底是个什么形态？
　　3、这个形态会推导出怎么的怪异结论？
　　（一）我们对电子形态的理解是错的
　　一束光有波动性，是托马斯·杨1803年通过双缝实验证明的（杨氏双缝实验），初中物理已经讲过了，从＂a＂点发出一束光经过＂b、c＂两个微小的缝隙形成两束波长频率完全相同的光，波峰相遇就产生了叠加，波峰与波谷相遇就相互抵消，最后在挡板＂d＂处就形成了明暗相间的条纹。
　　这个很好理解，类似于水波嘛。
　　杨氏双缝实验
　　150年后的1961年，随着科技的发展，科学家终于有条件可以做到每次在＂a＂点只发射一个电子了。
　　一个电子接着一个电子的从＂a＂点发射电子，随着次数的增多，在挡板＂d＂处的变化如下：
　　单个电子的干涉条纹
　　在最右侧的照片上明显可以看出明暗相间的干涉条纹，这就相当令人费解了。
　　因为我们认识光要产生相互干涉，首要条件就是光要有两束，不然怎么叫相互呢？
　　但现在只有一个＂电子＂，却实实在在地产生了干涉现象。
　　这怎么解释？
　　可能性只有一个：
　　——这个电子，同时通过了那两条缝，它在那一刻＂分身＂了，自己与自己发生了干涉！
　　也就是说，一个电子在同一时间处在两个空间。
　　这就好比我现在既可以在客厅看巴西对克罗地亚的比赛，又可以在书房写文章，可以两手都要抓两手都要硬。
　　这怎么可能呢？
　　唯一的解释就是：
　　——我们对电子形态的理解从根本上就错了，我们自己把自己给框住了，电子根本不是＂一个小球＂，而是＂一片云＂，一个电子从＂a＂出发，以＂一片云＂的形态到达＂b、c＂两点，这个电子就可以同时通过这两点，从而自己与自己发生了干涉。
　　是不是很颠覆？
　　更刺激的还在后面。
　　那这一片云是什么样子？而这又意味着什么？
　　我们接着往下聊。
　　海森堡（二）海森堡不确定原理
　　都说物理学是精确的科学。
　　确实，物理学家对宇宙万物的运动都能用几个简练的公式精准描述，一个小小的粒子，没有理由搞不定。
　　科学家们一开始信心满满，毕竟：
　　在经典物理学的宏观世界里，我们只要知道一个物体此时此刻的位置和横、纵速度，也就是此时此刻的位置和动量（p=mv），就能精准计算它的运行轨迹，小小的粒子也应该可以用此方法描述。
　　但很可惜，物理学家的着这种思路在量子世界里，完全失效了，因为：
　　——哪怕先后发射两个电子的所有动作完全一致，这两个电子的落点都会不一样。
　　此时，海森堡横空出世，说：
　　我们想要知道电子每时每刻的位置和动量，是不可能的。因为电子的本性就是不可能同时拥有确切的位置和动量。不管宏观和微观，所有物质位置的不确定性与动量的不确定性，有如下关系（海森堡不确定原理）：
　　△x（位置不确定性）·△p（动量不确定性）≥h（普朗克常数）/4π
　　（由此，海森堡拿到了1932年的诺贝尔物理奖）
　　也就是说，「位置的不确定性」与「动量的不确定性」是跷跷板的关系，按下葫芦浮起瓢，这边起来，那边就得下去：位置想要精确一点，它的动量就不可能精确；动量想要精确一点，它的位置就相当模糊。
　　为了让你更能体会两者之间的关系，我们举个极端例子：
　　如果一个粒子的速度能降低到绝对零度，也就是动量△p=0（当然，这是不可能的），根据海森堡不确定原理，那它的位置不确定性就是无穷大，也就是说，他在整个宇宙里就会无处不在。
　　在原子里，电子没有确切位置，它的可以同时出现在原子核之外的任何位置，所以它呈现的是一片＂云＂的状态。
　　电子云状态
　　这意味着什么？
　　——意味着微观粒子的世界，是概率的！
　　由此，我们之前理解的原子的形态是中间有个「原子核」，电子有自己的轨道，就像太阳系里的星球围绕太阳转一样的论断，是错误的！
　　其实，无论实验科学再怎么发展再怎么精密，我们根本不可能测量电子的运动轨迹，因为这无关于测量技术，电子的本性就是：不！确！定！（如果真有造物主，也不知道他为何要这么设定）
　　回到微观粒子的世界是概率的论断，既然我们不可能知道单个粒子的运动轨迹，那是不是可以有在某个时间某个地点，这个粒子出现在此的概率呢？
　　薛定谔正式出场！
　　埃尔温·薛定谔（三）薛定谔搞出了「波函数」
　　波函数方程比较复杂，就不说了，但这个方程是人类历史上描述客观世界最重要的几个方程之一（听说还是在和情人度假时搞出来的）。
　　波函数的主要作用，就是：
　　——虽然由于粒子本身的不确定性，它的落点是随机的，我们无法描述单个粒子的运动轨迹，但我们可以精准描述它在某个时间出现在某个地点的概率。
　　波函数在一个地点的数值越高，就代表这个粒子在这个点上发现的概率越大，如果波函数解出在这个点的数值是零，那就说明粒子出现在这里的概率为零。
　　实验是这样的：
　　科学家用波函数计算粒子在某个位置出现的概率是万分之一，那就连续发射十万个粒子，虽然我们无法计算每个粒子的落点，但这十万个粒子落在那个位置的数量就是10个。
　　——这个公式，完美符合实验结果。
　　由此，薛定谔拿到了1933年的诺贝尔物理奖。
　　我们再回头看这些微观粒子，以上说的都是他的性质，但它本身到底是个什么东西？
　　其实到现在科学家也不清楚。
　　这就像媒婆儿给你介绍对象，说对方貌美如花、身材匀称、人见人爱，好多人追她，但这些都只是正面描述和侧面印证。
　　而你，却始终未见她本人。
　　（四）结语
　　到此，你可能有如下三个问题：
　　1、既然基本粒子（夸克、轻子、玻色子）有波动性，那由这些基本粒子组成的质子、中子、原子、分子有没有波动性？那由分子组成的宏观物体有没有波动性？人体也是由分子组合而成，那人体有没有波动性？
　　都有波动性。
　　那为何我们感觉不到自己在波动？（当然，白娘子和小青没有这个疑问）
　　因为相对于基本粒子来说，我们的质量实在是太大了，比如一个100斤的人，以7米/秒的速度跑步，他波动性的波长差不多是10^(-35）米，这么微小的波动我们是完全感知不到的。
　　就像郭德纲说WiFi一样，感知不到不代表没有。
　　2、既然基本粒子本性就是不可测，那为何宏观世界里物质的位置可以测得那么精准？
　　这也是因为：
　　h（普朗克常数）/4π=6.626×10^(-34)÷（4×3.14）=0.52×10^(-34)，这是一个非常非常非常小的数。
　　这个数量级在宏观世界直接可以忽略不计，但不代表没有误差。
　　3、既然电子是＂云＂的状态，那为何科学家在发射电子到最后捕捉到的都是一个＂点＂？
　　换句话说，电子在发射前和落地后都是一个＂小球＂，怎么就在飞行过程中从＂小球变成了云＂了呢？
　　这中间到底发生了什么？
　　篇幅有限，下篇我们继续聊。
　　（完）
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