自從物理學(xué)者演示出光子與電子具有波動(dòng)性質(zhì)之后，對(duì)于中子、質(zhì)子也完成了很多類似實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)里，比較著名的是于1929年奧托·施特恩團(tuán)隊(duì)完成的氫、氦粒子束衍射實(shí)驗(yàn)，這實(shí)驗(yàn)精彩地演示出原子和分子的波動(dòng)性質(zhì)。
近期，關(guān)于原子、分子的類似實(shí)驗(yàn)顯示出，更大尺寸、更復(fù)雜的粒子也具有波動(dòng)性質(zhì)，這在本段落會(huì)有詳細(xì)說明。
1970年代，物理學(xué)者使用中子干涉儀完成了一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)引力與波粒二象性彼此之間的關(guān)系。]中子是組成原子核的粒子之一，它貢獻(xiàn)出原子核的部分質(zhì)量，由此，也貢獻(xiàn)出普通物質(zhì)的部分質(zhì)量。在中子干涉儀里，中子就好似量子波一樣，直接感受到引力的作用。因?yàn)槿f物都會(huì)感受到引力的作用，包括光子在內(nèi)，這是已知的事實(shí)，這實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果并不令人驚訝。但是，帶質(zhì)量費(fèi)米子的量子波，處于引力場(chǎng)內(nèi)，自我干涉的現(xiàn)象，尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
1999年，維也納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)觀察到C60富勒烯的衍射。富勒烯是相當(dāng)大型與沉重的物體，原子量為720 u，德布羅意波長(zhǎng)為2.5 pm，而分子的直徑為1 nm，大約400倍大。2012年，這遠(yuǎn)場(chǎng)衍射實(shí)驗(yàn)被延伸實(shí)現(xiàn)于酞菁分子和比它更重的衍生物，這兩種分子分別是由58和114個(gè)原子組成。在這些實(shí)驗(yàn)里，干涉圖樣的形成被實(shí)時(shí)計(jì)錄，敏感度達(dá)到單獨(dú)分子程度。
2003年，同樣維也納研究團(tuán)隊(duì)演示出四苯基卟啉的波動(dòng)性。這是一種延伸達(dá)2 nm、質(zhì)量為614 u的生物染料。在這實(shí)驗(yàn)里，他們使用的是一種近場(chǎng)塔爾博特-勞厄干涉儀。使用這種干涉儀，他們又觀察到C60F48.的干涉條紋，C60F48.是一種氟化巴基球，質(zhì)量為1600 u，是由108 個(gè)原子組成。
像C70富勒烯一類的大型分子具有恰當(dāng)?shù)膹?fù)雜性來顯示量子干涉與量子退相干，因此，物理學(xué)者能夠做實(shí)驗(yàn)檢試物體在量子-經(jīng)典界限附近的物理行為。
2011年，對(duì)于質(zhì)量為6910 u的分子做實(shí)驗(yàn)成功展示出干涉現(xiàn)象。2013年，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，質(zhì)量超過10,000 u的分子也能發(fā)生干涉現(xiàn)象。
大致而言，康普頓波長(zhǎng)是量子效應(yīng)開始變得重要時(shí)的系統(tǒng)長(zhǎng)度尺寸，粒子質(zhì)量越大，則康普頓波長(zhǎng)越短。史瓦西半徑是粒子變?yōu)楹诙磿r(shí)的其所有質(zhì)量被拘束在內(nèi)的圓球半徑，粒子越重，史瓦西半徑越大。當(dāng)粒子的康普頓波長(zhǎng)大約等于史瓦西半徑時(shí)，粒子的質(zhì)量大約為普朗克質(zhì)量，粒子的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)強(qiáng)烈地受到量子引力影響。
普朗克質(zhì)量為2.18×10-5g，超大于所有已知基本粒子的質(zhì)量；普朗克長(zhǎng)度為1.6×10-33cm，超小于核子尺寸。從理論而言，質(zhì)量大于普朗克質(zhì)量的物體是否擁有德布羅意波長(zhǎng)這個(gè)問題不很清楚；從實(shí)驗(yàn)而言，是無法達(dá)到的。這物體的康普頓波長(zhǎng)會(huì)小于普朗克長(zhǎng)度和史瓦茲半徑，在這尺寸，當(dāng)今物理理論可能會(huì)失效，可能需要更廣義理論替代。【我認(rèn)為在這個(gè)尺寸下物理理論也不會(huì)失效，下文會(huì)詳細(xì)論述?！?/p>
在2015年人類獲得首張圖像，光同時(shí)顯現(xiàn)波動(dòng)性和粒子性。一直以來，人們從未直接觀測(cè)到粒子在同一時(shí)刻表現(xiàn)出波和粒子的形態(tài)。
2015年3月2日，來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究者們發(fā)表了他們的新發(fā)現(xiàn)。
他們用射入奈米線的光脈沖的兩個(gè)反向分量形成駐波，然后在附近注入一束電子，電子束因遭遇光駐波而被加速或減速，通過記錄這些速度改變的區(qū)域，研究者們得以顯現(xiàn)駐波的外觀，而駐波體現(xiàn)了光的波動(dòng)性。
實(shí)驗(yàn)在顯現(xiàn)光的波動(dòng)性的同時(shí)，也顯示了其粒子性。當(dāng)電子進(jìn)入駐波，它們撞擊光子并改變了速度。速度上的變化表明光子和電子之間能量包(量子)的交換。這種速度上的變化以及它所暗示的能量交換表明駐波中存在的粒子行為。
主持實(shí)驗(yàn)的Fabrizio Carbone認(rèn)為，這表明量子力學(xué)的佯謬式的特質(zhì)是可以被直接記錄的，還認(rèn)為，象這樣在納米尺度描繪并且控制量子現(xiàn)象，開辟了通矢量子計(jì)算的新途徑。他們的突破性研究發(fā)表在Nature Communications。
愛因斯坦這樣描述波粒二象性：“好像有時(shí)我們必須用一套理論，有時(shí)候又必須用另一套理論來描述（這些粒子的行為），有時(shí)候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要借助兩種互相矛盾的的觀點(diǎn)來描述現(xiàn)實(shí)，兩種觀點(diǎn)單獨(dú)是無法完全解釋光的現(xiàn)象的，但是和在一起便可以?！?/p>
現(xiàn)在回到開篇時(shí)候，我的提問：“你怎么看波粒二象性？”我們的介紹是一般性，普通性的知識(shí)細(xì)節(jié)，很多知識(shí)，你在網(wǎng)上也能找到。所以我們要有更深刻的理解。
我現(xiàn)在問你這樣一個(gè)問題：“既然粒子具有玻璃二象性，為什么又說一些基本粒子無法再分？”
這個(gè)是細(xì)節(jié)問題，問題并不難。粒子具有波粒二象性和粒子無法再分是兩個(gè)概念。粒子無法再分是從結(jié)構(gòu)形態(tài)說的；粒子具有波粒二象性是從存在狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)說的。
再者波粒二象性，是指粒子具有波動(dòng)和粒子的特性。德布羅意的觀點(diǎn)我非常贊同，一切物質(zhì)皆有波動(dòng)，也即有波長(zhǎng)。
即使是一個(gè)粒子也能表現(xiàn)出波粒二象性。這個(gè)問題上一章在不確定性原理中有講過。電子雙縫實(shí)驗(yàn)，也是這樣顯示的。
這就是量子世界燒腦的原因。其實(shí)包括不確定性原理，波粒二象性等其最根本的原因，現(xiàn)在還不知道。
一個(gè)很重要的問題，我早應(yīng)該問大家，但一直拖到現(xiàn)在。那就是量子世界與宏觀世界的界限在哪里？
這在哲學(xué)上可以用量變和質(zhì)變的關(guān)系描述。粒子質(zhì)量，大小等小到多少的時(shí)候?qū)儆诹Ｗ邮澜纾?/p>
我們的教科書中沒有提到這個(gè)問題，也沒有回答這個(gè)問題。就說明這個(gè)問題不是那么容易的。
正像我處理引力與慣性的思維，我以為在量子世界也可以用這個(gè)思維去理解。
即引力與慣性誰重要？顯然我的答案是引力更重要。為什么呢？因?yàn)橐κ菓T性的源泉。這是我在物理宇宙科普書籍《變化》中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的一個(gè)點(diǎn)。
引力存在，慣性才有。物質(zhì)存在，引力才存在，慣性才存在。這是他們的關(guān)系。
現(xiàn)在就波粒二象性也這樣問，粒子的性質(zhì)狀態(tài)波動(dòng)性重要還是粒子性重要？
注意這個(gè)問題中的哪個(gè)重要，其實(shí)是人為思考的。本身客觀的粒子，沒有這樣的區(qū)分。引力是慣性也是，其實(shí)是不可分的，一體的。之所以要這樣思考，這樣問，是為了大家好理解量子世界。
把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的理解就是組成物質(zhì)的是粒子，不是“波動(dòng)性”，所以波粒二象性中“粒子性”更重要。然后是波動(dòng)性。
現(xiàn)在來回答量子世界與宏觀世界界限的問題。我們說日常生活中感覺不到房屋的波動(dòng)性，水杯的波動(dòng)性，這是質(zhì)量大，導(dǎo)致德布羅意波長(zhǎng)比可觀察的極限尺寸要小很多，因此可能發(fā)生波動(dòng)性質(zhì)的尺寸在日常生活經(jīng)驗(yàn)范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿意地解釋“自然現(xiàn)象”。反之，對(duì)于基本粒子來說，它們的質(zhì)量和尺寸局限于量子力學(xué)所描述的范圍之內(nèi)，因而與我們所習(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。
其實(shí)上面的這個(gè)描述，就包含了宏觀與量子的分別描述。上面說了在物理學(xué)里，長(zhǎng)度與質(zhì)量之間存在有兩種基本關(guān)系。如下圖。
大致而言，康普頓波長(zhǎng)是量子效應(yīng)開始變得重要時(shí)的系統(tǒng)長(zhǎng)度尺寸，粒子質(zhì)量越大，則康普頓波長(zhǎng)越短。
史瓦西半徑是粒子變?yōu)楹诙磿r(shí)其所有質(zhì)量被拘束在內(nèi)的圓球半徑，粒子越重，史瓦西半徑越大。當(dāng)粒子的康普頓波長(zhǎng)大約等于史瓦西半徑時(shí)，粒子的質(zhì)量大約為普朗克質(zhì)量，粒子的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)強(qiáng)烈地受到引力影響。
普朗克質(zhì)量為2.18×10-5g，大約是一?；覊m的質(zhì)量，這個(gè)數(shù)值大于所有已知基本粒子的質(zhì)量；普朗克長(zhǎng)度為1.6×10-33cm，經(jīng)典的引力和時(shí)空開始失效、量子效應(yīng)起支配作用的長(zhǎng)度標(biāo)度。它是“長(zhǎng)度的量子”。這個(gè)數(shù)值小于核子尺寸。
從理論而言，質(zhì)量大于普朗克質(zhì)量的物體是否擁有德布羅意波長(zhǎng)這個(gè)問題不很清楚；從實(shí)驗(yàn)而言，是無法達(dá)到的。我個(gè)人以為是存在德布羅意波長(zhǎng)的，只是數(shù)量級(jí)很小。
【質(zhì)量大于普朗克質(zhì)量的物體】這物體的康普頓波長(zhǎng)會(huì)小于普朗克長(zhǎng)度和史瓦茲半徑，在這尺寸，量子世界的物理規(guī)則會(huì)失效，經(jīng)典物理規(guī)則開始顯示效應(yīng)。我個(gè)人認(rèn)為這就是它們的界限。
我看到網(wǎng)上有認(rèn)為在這樣的尺寸下，物理理論會(huì)失效。上文中有。我這個(gè)是修正版。就是我認(rèn)為不會(huì)失效。問題是哪種規(guī)則開始顯示效應(yīng)。
在這里我還要提醒各位一點(diǎn)，任何理論，任何力都不可避免引力對(duì)其的作用。無論這種影響多么小，作用肯定是存在的。那么深刻的內(nèi)涵就來了，引力是什么？引力是物質(zhì)時(shí)空的性質(zhì)。那就是說任何理論都避免不了時(shí)空的“擾動(dòng)”。
這就是我為什么在不確定性原理中提到“時(shí)空擾動(dòng)”這個(gè)詞，只是這種擾動(dòng)，還不能被計(jì)算。宏觀世界對(duì)于量子世界的影響，就是這樣的進(jìn)行的。而量子世界對(duì)宏觀世界的影響，也是直接的。兩者其實(shí)是一體。所以大統(tǒng)一理論是必要的。
今天的內(nèi)容，就講到這里。下一章我們講互補(bǔ)原理。因?yàn)榛パa(bǔ)原理其實(shí)和這一章的內(nèi)容大同小異。在說的是一個(gè)性質(zhì)狀態(tài)，所以就緊接著講，這樣大家會(huì)印象更深。
摘自獨(dú)立學(xué)者，詩人，作家，國(guó)學(xué)起名師靈遁者量子力學(xué)科普書籍《見微知著》
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