科學認識君的《通俗物理100課》系列

【第二課：波粒二象性】

可以說伽利略與牛頓建立起了物理學，在此之前並沒有物理學這門學科，研究自然的學問叫自然哲學，其與物理學的根本區別在於實驗。

物理學是研究自然現象的科學，歸根結底就是研究物質的組成，相互作用和運動規律的學科。

面對多彩繽紛的自然世界，人們總會發問，組成這一切的物質是什麼？它們是否可無限細分？

其實早在2400多年前的古希臘時期，德謨克利特就主張“原子論”，不過他認為的原子和現在所認知的原子完全不同。他認為世界萬物就是由一種基本元素構成，這種元素很小且是不可再分實體“小球”。這種實心小球的排列組合順序構成了大千世界的千變萬化，這就是他心中的原子。

直到兩千多年後的18世紀，人們才用實驗證實了原子的存在。不過那時候對原子的認識還很膚淺。

牛頓對原子的探索並沒有什麼建樹，之後人類對原子的認識經歷了道爾頓的實心球模型，湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型，盧瑟福的行星模型，玻爾的能級模型和電子雲模型。

原子模型發展史

我們現在知道了原子是由原子核和核外電子構成，原子核又由質子和中子構成，原子核的正電屬性是由質子體現出來的，中子是不帶電的。並且原子的質量幾乎都聚集在原子核上。

其實在19世紀之前，人類並不瞭解原子內部的構造，也更不瞭解電子的運動。所以那時候牛頓力學的危機並不是很突出。直到科學家觀測到原子核外電子的運動時，牛頓力學徹底在微觀領域失效了。按照牛頓力學的計算，電子這種東西嚴格來說就不應該存在於原子核外。它應該直接和質子中和掉。

按照經典力學的解釋，帶正電的質子會產生電場，而電子在這種電場中蹦躂不了多久就會被吸引到質子上，並與其抵消。

可是電子的運動完全不是這樣的，電子依舊蹦躂得很活波，經典力學的統治時代宣告解釋。

經過了一個世紀的探索，我們可以自信的說，量子力學在次原子級別是正確的。我們現在知道了眾多的微觀粒子，以及它們的相互作用形式。自然界存在四種力，按照作用的強度依次分為：強相互作用（核力），電磁力，弱力，引力。

四大相互作用力

物理學家從電磁力傳播所依賴的電磁場中得到啟示，其他三種力也應該是通過“場”來傳遞力的。物理學家繼續從電磁力傳播所依賴的傳播子（光子）中得到啟示，其他三種力也應該通過各自的傳播子完成的。也就是說，這四種力，每一種都是依賴場中的傳播子進行的。

但有場未必有傳播子，而有傳播子一定有場的存在

靜止電荷會產生電場，在電場中的其他電荷會因此受到作用，但這其中並沒有光子這樣的傳播子。如果靜止電荷運動起來，那其造成的電場也會是波動的，變化的電場就會產生變化的磁場，電磁場就此產生。電磁場的傳播子是光子，光子是一份份運動的能量，這些能量通過質能方程E=MC²轉換成光子的質量，並且具有波粒二象性。

波粒二象性

我們最早知道了光是波粒二象性的，隨後的電子雙縫干涉實驗證明了電子也具有波粒二象性。其實除了微觀粒子，整個宇宙中的所有物體，不管是微觀的電子還是宏觀的星球都是物質波。

或許這有些難以理解，我可以從簡單的電磁波講起。電磁波其實就是核外電子輻射出的一份基本能量，電子是帶負電的電荷，電子總是在運動，那麼電子就會產生變化的電場，進而導致變化的磁場，變化的磁場又產生變化的電場，就這樣電磁場就傳播開來了，電磁場可以傳播能量，這能量就是光子。

光子是如何運動的？

知識補充：光是一種電磁波，電磁波傳播速度c=波長λ×頻率f，真空中光速恆定。

光子不僅是一種粒子也是一種波，光子的運動頻率不同導致了形形色色的電磁波產生。光子的運動頻率從100hz到10的27次方不等，其名稱依次可以是電擾動，無線電，雷達波，可見光，X射線，伽馬射線.....

電磁波波長排序

電擾動雖然也是電磁波，但頻率很低，波長就很長，甚至可以達到數千公里，從一個波峰到另一個波峰的距離太遠了，所以波動的性質並不明顯。就好像是在湖面上相隔10公里才有兩個凸起的波浪，這個湖面會顯得很平靜，所以電擾動更像是場。

而無線電，雷達波的頻率就高出電擾動的好幾個數量級，它們的波長就更短，波峰距離不大，更像是波。

可如果頻率繼續增加，比如宇宙中的伽馬射線，它雖然也是電磁波，但其頻率極大，導致波長極短，有的波長才10的負14次方米，比原子半徑還小到多。那麼這些電磁波的波峰距離就極短，兩個波峰更像是渾然一體的粒子了，而不像是波。

所以從電磁波的波長高低來劃分，波長長的更像場，波長中等的更像波，波長短的更像粒子。

所以光子的頻率差異會讓其體現出顯著的粒子態或波動態。但不管如何，光子同時具有波動性和粒子性。

德布羅意的物質波告訴我們，人類也是波粒二象性的，只不過人體波動的頻率太大了，而波長太小了，以至於現有的儀器都無法觀測到這種波動，所以人體更顯得是個實在物體。

既然所有的物質都是波粒二象性的，那麼夸克也是（目前發現原子內部最小尺度的粒子），倘若還有比夸克還小的粒子，那麼它也是波動的。宇宙中數百個基本粒子構成了宏觀世界的多樣性，基本粒子之間的作用關係很複雜，我們甚至都理不清它們之間的關係。

但唯一可以確定的是所有粒子都是波動的，光子是波動的能量，這種電磁波因頻率的不同時而表現出粒子性，時而表現出波動性。當然我們可以藉助這種思想建立一種大一統理論。

我們假設，現在所說的光子，電子壓根就不是什麼基本粒子，而是由一種更小的波動能量構成，這種波動就是超弦理論中的弦，弦的不同振動形式會表現出不同的基本粒子。

那麼我們就可以從更小的尺度統一已知的基本粒子，我們找到弦的振動規律，就知道基本粒子的生成機制，包括費米子，傳遞四種相互作用的玻色子，生成質量的希格斯玻色子以及尚待發現的引力子。這些粒子的作用和特性太冗雜了，我們很難把它們在現有的物理框架中統一起來。而超弦理論則正是大一統理論的理想候選者！

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