波粒二象性是我們宇宙的基本事實。但是我們看不到許多物體像波浪一樣四處移動。所以當一個球擊中你的頭時會感到痛的原因：你和球的行為都像粒子一樣。
原則上，物體的這種波狀的性質需要被觀測。現在，發表在最近的《物理評論通訊》最新研究論文表明：具有相對較重、複雜的大分子粒子可以觀測到這種波動性。
關于波與粒的爭論始於牛頓時代，水的波浪才剛剛開始被理解。一系列實驗表明，光不僅僅局限是所眼見到的。那麼光是粒還是波？辯論一直在進行，直到託馬斯·楊在1803年提出了他的經典雙縫實驗的結果，表明光是波。
當發現光可以使固體從其表面發射電子時，這種簡潔的結局變得混亂。愛因斯坦在1905年通過將光描述為粒子來解釋了這一點。從此，意識到光既是粒又是波，這是想像力的一次飛躍。波粒二象性在當時世界各地物理學家的痛苦的尖叫中誕生。
如果光既是粒又是波，那麼為什麼不是其它呢？德布羅意提出了這個想法，湯姆森在1927年證實了電子的波粒二象性。波粒二象性在這裡一直存在，但是在重粒子中觀察它卻非常具有挑戰性，因為粒子的波長非常短。
在這項新的研究工作中，研究人員在該研究實驗中使用了如圖所示的一種稱為酞菁（Phthalocyanine）的大分子。
研究人員旨在使用這種重分子觀察衍射（一種波的性質）。想像一下帶有銳利邊緣的屏幕。當光線照到屏幕上時，它後面有三個區域：光線射到屏幕上並被遮擋的區域（這會導致陰影）；光線錯過屏幕並通過的區域；以及由光線撞擊到銳利的邊緣產生的第三個區域，邊緣將重新向各個方向輻射光線，包括陰影和明亮區域。
與沒有碰到邊緣的光相比，這種重新輻射的光採取了不同的路徑。結果是某些看起來應該亮的區域實際上是暗的，而暗區域可能看起來更亮。亮和暗的圖案稱為衍射圖案。衍射是使成像系統，包括我們的眼睛，正常工作的原因。
為了測量衍射圖，這樣的波必須適當地被保留。可以這樣設想：假設你坐在尖銳的邊緣，能夠測量入射光的幅度，並在其再次輻射時進行測量。利用波動定律，你可以稍後在空間中的任何其他位置預測振幅，但這隻有在沒有任何幹擾波動的情況下才是正確的。在這種情況下，你將觀察到衍射圖樣。但是，波受到的幹擾越大，衍射圖案越弱。波足夠地弱時，衍射圖案最終消失。
像分子一樣，重粒子由一些較小的帶電粒子組成，這些粒子容易破碎。這意味著分子的波性質會隨每次碰撞而隨機改變，從而使振幅無法預測，並衝淡了衍射圖樣。
這使得測量兩個質量分別比氫重331和515倍的分子的衍射圖非常令人印象深刻。
分子輕輕波動
為了從分子獲得衍射圖，研究人員需要創建一個光束，使所有分子具有相似的速度。為此，研究人員使用雷射將分子從一個玻璃窗上炸掉。分子雲將以大範圍的速度飛向真空。將垂直狹縫放置在低範圍，以僅允許沿正確方向傳播的分子撞擊目標。如上所述，目標不是邊緣，而是來自雷射束的光產生駐波圖。駐波圖樣中的峰值強度很高，使分子精確地偏轉，就好像它們已經穿過間隙一樣，從而形成了衍射圖樣。
此時，所有分子都具有不同的能量（速度），因此衍射圖將被洗掉。但是分子也由於重力而下落。水平定向的第二條狹縫選擇行進一定距離後下落的分子。這也選擇了速度，因為快分子將衝過縫隙，而慢分子將不足以衝過。
在第二個縫隙之後，分子進入篩子並粘附在篩子上。研究人員選擇的分子在受到藍色或紫外線照射時會發光，因此讓這個實驗進行一會兒之後，就可以觀察到這些分子在屏幕上的位置。
研究人員表明，他們可以針對不同的分子速度和駐波圖樣上不同的入射角觀察到不同的衍射圖樣。衍射圖樣很弱，但這是在首次演示中可以預期的，與理論相當吻合。
參考：Bragg Diffraction of Large Organic Molecules. Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.033604量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注。