離奇而迷人的量子物理學:人類也是一種波

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該圖攝於2015年。眾所周知，光同時具有波和粒兩種屬性。而物質粒子也具有波狀屬性卻鮮有人知。即使體型像人類一樣巨大的物體也具有波狀屬性，只不過很難進行度量。

「它是波還是粒子？」在量子領域，這一問題看似簡單，卻難以回答，答案取決於問題的切入點。

當一束光穿過兩條縫時，它是波。而當同一束光射到導電金屬板上時，它又成了粒子。在適當條件下，可以通過測量光量子（即光的基本量子）的類波或類粒子反應，驗證現實的離奇雙重性質。

現實的這種雙重性不僅局限於光，而且還可適用於所有的量子粒子：電子、質子、中子，甚至是極大的原子團。事實上，如果能將其定義，粒子或粒子集有多麼「類波」就能進行量化。在適當條件下，即使是人類，也會表現出量子波性質。（不過，這種測量需要運氣。）

當眾多中高能量光子撞擊晶體時會發生上圖的情況，即光線穿過色散稜鏡，分離成清晰可辨的不同顏色。若光子在離散空間中撞擊該稜鏡，晶體只能移動離散而有限的空間步長，僅有單個光子可以進行反射或投射。

關於光是波還是粒子的爭論可以追溯到17世紀，當時，物理學史上的兩位偉人對該問題的觀點截然不同。

一方面，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）提出了光的「微粒」學說，在這個理論中，光呈現出粒子屬性：沿直線（射線）運動，可進行折射和反射，並像其他物質一樣具有動量。牛頓用這種方法預測了很多現象，並解釋了多種色光如何構成白光。

另一方面，克裡斯蒂安·惠更斯（ChristiaanHuygens）則推崇光的波動理論，他指出幹涉和衍射之類的特性本質上都是波狀的。惠更斯對波的研究無法解釋的一些現象，牛頓的微粒理論可以解釋，反之亦然。然而，19世紀初，情況變得更有意思了，新的實驗開始真正揭示了光本質上是波狀的。

最初，克裡斯蒂安·惠更斯提出了光的波狀特性。隨後，託馬斯·楊（ThomasYoung）的雙縫實驗突顯了相長幹涉和相消幹涉效應，更好地詮釋了這一特性。

如果讓一個裝滿水的魚缸產生水波浪，然後裝入一個有兩條「狹縫」的屏障，讓波浪從中穿過，會看到這些波紋相互幹擾。有些地方，波紋會疊加，產生比單個波浪更大的漣漪。而有些地方，波紋相互抵消，波紋經過時水面保持平靜。這種具有相長（加）和相消（減）幹涉交替區域的幹涉圖樣組合是波的特徵。

200多年前，託馬斯·楊在系列實驗中首次發現，光也呈現出上述波狀圖案。隨後幾年裡，科學家開始發現一些與常識愈發不符的光的波狀屬性，如單色光照射球體的實驗，該實驗不僅在球體外部形成了波狀圖案，而且在陰影中間也形成了一個中央峰。

實驗結果顯示了圍繞球形物體的雷射以及實際光學數據。值得注意的是菲涅爾（Fresnel）證實了一個明亮的中心光點會出現在球體投射的陰影中，這完美驗證了光學波動理論的「荒謬」預測。弗朗索瓦·阿拉戈（Francois Arago）進行了最初實驗。

19世紀晚期，麥克斯韋（Maxwell）的電磁理論衍生出一種無電荷的輻射形式：以光速傳播的電磁波。最終，光波有了數學基礎，它是一種電磁推論，一個自洽理論的必然結果。正是通過思考這些光波，愛因斯坦才得以設計並創立了狹義相對論。光的波動特性是宇宙的基本現實。

但這並非處處通用。因為光在許多重要方面也會以量子粒子的形式表現。

· 其能源量化成的單個包被稱為光子,每個光子都包含特定的能量。

· 超過一定能量的光子可以使電子脫離原子；低於這個能量的光子，無論光的強度是多少，都無法脫離。

· 通過任何我們所能設計的實驗設備，都能以單個依次的形式產生並發送單個光子。

這些發展和認識綜合在一起，可以說是所有「怪異」量子中最令人費解的證明。

就像其他任何波一樣，利用光進行的雙縫實驗會產生幹涉圖案。認為不同顏色光的屬性與不同顏色的單色光波長有關。顏色越紅，波長越長，能量越少，而幹涉圖樣越廣泛；顏色越藍，波長越短，能量越高，而幹涉圖中的極大值和極小值聚得越緊密

如果將一個光子發射到有兩條狹縫的障礙物上，可以測量該光子撞擊屏幕時另一側的有效距離。如果把這些光子依次單個相加，就會出現一種幹涉模式。假設許多不同光子相互幹擾，當通過這種設備單個依次發射光子，出現連續光束時，會發生同樣的模式。不知為何，單個光子會相互幹擾。

通常，圍繞該實驗的討論與各種實驗裝置有關，這些實驗裝置用於測量（或不測量）光子通過的狹縫，在這個過程中破壞或維持幹涉圖案。該討論是探索量子雙重性質的關鍵部分，因為它們既能表現為波，也能表現為粒子。表現形式主要取決於交互方式。實驗時可以用大質量的物質粒子代替光子，也能達到同樣的出色效果。

電子的波狀屬性與光子一樣，可以像光線一樣用來構造圖像或探測粒子大小。（在某些情況下，甚至可以做得更好。）這種波狀特性適用於所有的物質粒子，甚至包括複合粒子和理論上的宏觀粒子。

最初，你可能會這樣想：「光子既可以作為波，也可以作為粒子，但那是因為光子是輻射的無質量量子。它們有波長，這解釋了類波表現，但它們也有一定的能量，這又解釋了類粒子表現。」你可能會認為，物質粒子具有質量，攜帶能量，且從字面意思上定義為粒子，所以它們總是以粒子形式表現。

而上世紀20年代初，物理學家路易斯·德·布羅意（Louis deBroglie）提出了不同的觀點。他指出，對於光子來說，每個量子都有一個能量和一個動量，這與普朗克常數、光速以及每個光子的頻率和波長有關。物質的每個量子也有一個能量和一個動量，也具有同樣的普朗克常數和光速值。

通過和光子同樣的方式重新排列這些術語，德布羅意能夠為光子和物質粒子定義一個波長，即用普朗克常數除以粒子的動量。

當電子發射到目標上時，它們會以一定角度衍射。測量電子的動量能夠確認它們以類波還是類粒子形式表現。1927年，戴維森-格默實驗對德布羅意的「物質波」理論進行了第一次實驗證實。

數學定義有其道理，但想要真正檢驗物理概念還需進行觀察和實驗：預測必須與對宇宙本身的實際檢驗進行比較。

1927年，柯林頓·戴維森（Clinton Davisson）和萊斯特·格默（Lester Germer）向一個產生過光子衍射的目標發射電子，結果產生了相同的衍射圖案。與此同時，喬治·佩吉特（George Paget）向薄金屬箔發射電子，也產生了衍射圖樣。不知何故，作為物質粒子的電子本身，也表現出波的屬性。

隨後的實驗揭示了具有該波狀行為的多種不同形式物質，包括比點電子複雜得多的形式。諸如質子和中子的複合粒子也表現出此類波狀行為。可冷卻至納米級溫度的中性原子證實了德布羅意波長大於一微米，約是原子的萬倍。即使有2000個原子的分子也顯示出波的性質。

2019年，科學家們實現了有史以來最大分子的量子疊加：一個擁有超過2000個單個原子疊加成總質量超過25000個原子質量單位的分子。這說明了在實驗中使用的大分子的離域。

大多數情況下，當一個典型粒子（或粒子系統）的動量足夠大，會導致與之相關的有效波長太小而無法測量。以每秒1毫米的速度運動的塵埃粒子的波長大約是10^-21米：約比人類通過大型強子對撞機探測到的最小波長還要小100倍。

而一個以同樣速度運動的成年人的波長僅有10^-32米，或僅比普朗克尺度大幾百倍。在這個長度尺度上，物理學不再有意義。然而，即使一個成年人約由1028個原子如此大的宏觀質量構成，整個人體所相關的量子波長已足夠具有物理意義。事實上，對於大多數真實粒子來說，只有兩件事決定波長：

· 靜止質量

· 移動速度

至少在理論上，物質波可以用於放大或阻礙某些信號，這能在很多有趣的應用中起效，包括使某些物體有效隱身。這可能會讓現實中的隱身裝置得以實現。

一般來說，這意味著有兩種方法可以讓物質粒子表現為波。一是把粒子質量減少到一個儘可能小的值，因為低質量的粒子會有更大的德布羅意波長，這使得量子行為規模更大（更容易觀察）。二是降低正在處理的粒子速度。在較低溫度下達到的較慢速度，轉化為較小的動量值，這會得到更大的德布羅意波長，以及更大規模的量子行為。

物質的這種特性開啟了一個令人著迷的可行技術新領域：原子光學。鑑於大多數成像都是嚴格地用光學，也就是光來完成的，我們可以用慢速運動的原子光束來觀察納米級結構，而不會像高能光子那樣幹擾它們。到2020年，凝聚態物理學有一個完整的子領域致力於超低溫原子及其波動行為的研究和應用。

2009年，科學家發明了量子氣體顯微鏡，可以在晶格量子中測量費米子原子，這或許會導致超導性等實際應用的突破。

科學界有不少看似深奧的理論，以至於一般人想不到它們是如何發生的。在當今世界，很多像是粒子能量達到新高，天體物理學進入新領域的基本操作，似乎純粹是智力練習。

然而，不少理論在提出時，那些奠定了此科學基礎的研究者卻並未預想到，如今它會被人們公認為重大技術突破。

最初發現並發送無線電波的海因裡希·赫茲（Heinrich Hertz）認為他只是在證實麥克斯韋的電磁理論，愛因斯坦從未想到相對論能使GPS系統成為可能，量子力學的創始人從未考慮過計算的進步或電晶體的發明。

圖源：unsplash

但是今天，可以肯定的是，我們越接近絕對零度，整個原子光學和納米光學領域的發展就會越快。也許有一天，甚至能夠測量整個人類的量子效應。不過，你可能更樂意讓一個低溫冷凍的人來進行測試。

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