量子和粒子物理學何以解釋一切

第3章 貴族、炸彈和花粉

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二象性公爵

許多年前,青春懵懂的我去一所大學參加麵試,坐在我麵前的是四位傑出的科學家,他們問我對量子論了解多少。我當時太蠢了,在申請書裏提到了量子論,所以他們想考考我,讓我跌落一兩個能量殼層。

我滔滔不絕地講了一大堆關於波和粒子的事實,試圖讓他們覺得我非常了解,直到有個人舉手示意,讓我別說無意義的話,並且非常溫和地問我:“那麽,電子究竟是粒子還是波?”然後她坐回去,看著我不知所措的樣子。我一點也不為那次經曆感到痛苦,因為平心而論,她問的是一個無解的問題。

電子和光子有不同的行為方式,這個謎團被稱為“波粒二象性”—這個術語的創造者是法國貴族、第七代布羅意公爵路易·皮埃爾·雷蒙(簡稱路易·德布羅意)。第一次世界大戰期間,德布羅意在軍隊中服役,之後他堅持接受曆史學和物理學的教育,他認為這對理解人類的過去和未來至關重要。

德布羅意20歲的時候,量子論已經成為科學界的一件大事,所以他決定寫一篇關於這個核心謎題的論文。有沒有可能宇宙中的事物既不是粒子也不是波,隻有當我們做實驗的時候它們才呈現出相應的形式?電子和光子是否以某種方式在兩種狀態之間來回跳躍?我們這些腦袋是否能在量子層麵上理解大自然究竟在做什麽?

談到波的時候,我們可以根據它的頻率(每秒鍾波撞擊的次數)和波長(相鄰波峰之間的距離)計算它的能量。

由於我們也可以根據運動粒子的質量和速度計算它的能量,德布羅意提出了一個問題:為什麽不能讓這兩個能量相等?如果知道某種物質的粒子屬性,我們就能計算出它的能量,然後換一種思路把它想象成波,波的能量就等於我們剛剛計算的能量。能量是波物理學和粒子物理學之間的“翻譯者”。