光是什么？用一个“狮子猎羊”告诉你

量子力学，是一门让人眼花缭乱的学科，它让我们认识到了自然界中微小世界的奇妙之处。它不仅改变了我们对光的理解，还刷新了我们对电子等微观粒子的认知。今天，我们就来聊聊量子力学中最神秘的一部分：波粒二象性，并通过一个“狮子猎羊”的故事，带你走进这个奇幻的量子世界。

光是什么？从波到粒子的纠结

在18世纪以前，人类一直在争论光的本质。笛卡尔、惠更斯、胡克等科学家主张光是波动，但牛顿却凭借他的显赫成就，坚定地认为光是微粒。这个争论因“波动说”难以解释干涉现象而一度陷入僵局。直到1801年，英国科学家托马斯·杨发现了光的干涉现象，重新引发了人们对波动说的兴趣。可是，事情并没有就此完结。

1900年，普朗克为了解释热辐射，提出了“量子”概念。他发现，原子吸收或释放能量不是连续的，而是以一份一份的形式——即“量子”——进行的。几年后，爱因斯坦用这个量子概念解释了光电效应，并因这一成就获得了诺贝尔物理学奖。他指出，光不仅是波，还是一颗颗“光子”。于是，光的波粒二象性开始被接受：光既是波，也是粒子！

电子也能“波动”？

在爱因斯坦的理论启发下，法国物理学家路易·德布罗意脑洞大开：既然光子既是波又是粒子，那么电子会不会也有“波动”特性呢？他提出了一个大胆的假设——电子也可以表现出波动性！这个想法后来得到了实验证实，揭开了“波粒二象性”的面纱。也就是说，所有的微观粒子，都是“亦波亦粒”的！

为了更好地说明这个奇妙的现象，德布罗意设想了一个实验。想象一块屏幕有两道缝，当光子或电子穿过双缝时，屏幕后出现的图案并不像普通的投影那样简单，而是会形成一种条纹状的“干涉”图案。这种干涉条纹正是波动的标志。于是，光和电子的“波粒二象性”通过实验得到了生动的证明。

“狮子猎羊”：量子游猎的游戏

德布罗意的实验或许听起来有些抽象，为了帮助我们更好地理解，他设计了一个有趣的“狮子猎羊”故事：假设有一群羊从两道缝穿过，像电子一样在两道缝后形成干涉条纹。条纹就是羊最常出现的地方，而一只狡猾的“狮子”会守在这些条纹旁，等着羊群送上门来。这就好比光的干涉现象：羊在双缝后形成的条纹，反映了它们既是粒子（个体的羊），又表现出波动性（形成条纹的羊群）。

量子世界中还有一个有趣的现象，那就是电子的“云雾状”分布。平时，原子核周围的电子分布像一团“雾气”；可当你去“观察”它时，这团“雾”突然会凝聚成一个点。想象有一只“量子昆虫”，平时像云雾一样朦胧，一旦被捕捉到，它就凝结成一个清晰的“粒子”。这正是量子力学中的“测不准原理”在起作用。它告诉我们，微观粒子的状态在没有被观测前是模糊不清的，但一旦观测，粒子的位置便被“固定”了下来。

波粒二象性、量子干涉、电子云雾……这些量子现象虽然诞生于微观世界，却深刻地影响了我们的日常生活。量子力学的奇妙之处在于，它不断颠覆我们的直觉，让我们认识到自然界的奇妙和复杂。在这个神秘的世界里，“波”和“粒子”不再是截然不同的存在，而是一种奇异的二象性。希望这场量子游猎之旅，能让你对微观世界的奇幻有了更深入的认识。

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作者：《赵峥教授解读物理世界》今朝文化 科普创作团队

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室高级工程师