如果有一天，地球上只剩下你一個(gè)人，而你要給這個(gè)星球留下最后一句話，以便有其他生命到來(lái)時(shí)，他們能夠了解人類過(guò)去最重要的科學(xué)，你會(huì)留下哪一句？

物理學(xué)家費(fèi)曼曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，如果要用一句話來(lái)說(shuō)明人類科學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)，他會(huì)選擇“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”這一句。然而，如果是德布羅意的話，估計(jì)他還會(huì)加上一個(gè)逗號(hào)，然后補(bǔ)上“并且具有波粒二象性?！?/p>

“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，并且具有波粒二象性?！?/strong>

20世紀(jì)之前，楊氏雙縫等實(shí)驗(yàn)和麥克斯韋電磁方程讓人們堅(jiān)信，光是一種波，而電子、原子則是一粒一粒的。1905年愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)證實(shí)了光不僅是一種波還具有粒子的性質(zhì)，也就是光子。光是具有波粒二象性的。然而，如果有人告訴你，不僅光具有波粒二象性，電子、原子、和它們組成我們的物質(zhì)也都具有波粒二象性，你會(huì)不會(huì)感到背脊發(fā)涼？我們的身體難道也是一種波？真是鄙夷所思！

物質(zhì)具有波粒二象性，這不是科學(xué)家們的憑空臆想，而是通過(guò)無(wú)數(shù)次的科學(xué)推理和實(shí)驗(yàn)去證明得出的結(jié)論。這是一個(gè)跌宕起伏的過(guò)程......

最早認(rèn)為物質(zhì)是由原子構(gòu)成的說(shuō)法，是2000年前古希臘人留基伯和他的學(xué)生德莫克利特提出的。雖然當(dāng)時(shí)只是一個(gè)猜想，但是這一概念的提出，可說(shuō)是人類一個(gè)偉大的創(chuàng)舉。

2000年后的19世紀(jì)初，英國(guó)化學(xué)家約翰·道爾頓才通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法把原子的推測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的概念。1905年7月18日愛(ài)因斯坦發(fā)表的論文《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》又一次實(shí)錘證明了分子和原子的存在。

約翰·道爾頓

當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為，原子已經(jīng)是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元了，它是無(wú)法再分割的。然而，到了19世紀(jì)末，大自然似乎又給人們一些啟示：原子內(nèi)部應(yīng)該還有一些不同的結(jié)構(gòu)。

1895年，德國(guó)的科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；1896年，法國(guó)的科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾原子具有放射性；1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾更強(qiáng)的元素鐳。這些現(xiàn)象說(shuō)明原子內(nèi)部是不穩(wěn)定的，它是不是還有什么我們不知道的構(gòu)造呢？盧瑟福就曾推測(cè)，這種放射性是原子自身內(nèi)部分裂成新的原子過(guò)程中的一種表現(xiàn)。然而，原子怎么可能可以再分割和改變呢？當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有人相信這種觀點(diǎn)。

100新西蘭元上的盧瑟福

J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子

在1897年，J.J.湯姆遜也發(fā)現(xiàn)了陰極射線中有一種“微?！?，并且這種微粒帶有負(fù)電荷。他給這種帶負(fù)電荷的微粒命名為“電子”，至此人們終于認(rèn)識(shí)到原子中確實(shí)還有別的東西。J.J.湯姆遜于此也獲得了1904年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

J.J.湯姆遜

原子中的電子帶有負(fù)電，而原子是中性的，那么J.J.湯姆遜推測(cè)原子中必定還有帶正電荷的物質(zhì)，這樣正負(fù)電才能平衡成不帶電的原子。于是他想像出一個(gè)原子的模型是這樣的：原子就像一個(gè)松軟的蛋糕，蛋糕上點(diǎn)綴著葡萄干，這些葡萄干就是帶負(fù)電的電子，而蛋糕本身帶有正電，它們達(dá)成了一種平衡。所以原子組成的我們和周邊的各種物質(zhì)才沒(méi)有表現(xiàn)出帶電性。這個(gè)原子的模型人們稱之為”葡萄干布丁模型“。

盧瑟福的原子模型

但是，這種”葡萄干布丁模型“的原子結(jié)構(gòu)后來(lái)發(fā)現(xiàn)是錯(cuò)誤的，推翻這種模型的正是J.J.湯姆遜的學(xué)生盧瑟福。盧瑟福在研究物質(zhì)的放射性中發(fā)現(xiàn)一種高能量的放射線，他稱之為'阿爾法粒子“,其實(shí)它就是去掉兩個(gè)電子后的氦離子。 這種 粒子能量非常高，盧瑟福就用它來(lái)撞擊其他金屬物質(zhì)，看有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么新的東西。

1911年，盧瑟福和他的兩個(gè)學(xué)生，在用 '阿爾法粒子“ 撞擊金箔時(shí)發(fā)現(xiàn)，有些粒子穿過(guò)了金箔薄片，有些粒子偏離了方向，還有些直接就反射回來(lái)了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，盧瑟福感到非常震驚。 '阿爾法粒子“的能量非常高，打在這樣一層薄薄的金箔紙上，它怎么可能反射回來(lái)呢？這就像你用子彈射擊一張紙時(shí)，子彈竟然會(huì)反彈回來(lái)一樣不可思議。出現(xiàn)這種情況唯一的可能性，就是這張紙中散布著一些非常堅(jiān)硬的東西。于是盧瑟福斷定，原子內(nèi)部還有其他的結(jié)構(gòu)，這些堅(jiān)硬的東西應(yīng)該就是原子的核。

經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)研究，盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子的重量幾乎都集中在中間這個(gè)極小的原子核上面。因?yàn)?阿爾法粒子“帶的是正電，所以只有正好撞向帶有正電的原子核時(shí)才會(huì)反射回來(lái)，而那些靠近原子核的“阿爾法粒子”就只是偏轉(zhuǎn)了方向。盧瑟福當(dāng)時(shí)通過(guò)計(jì)算得出，原子核的直徑大約是10^(-14)米，體積只有整個(gè)原子大小的幾千億分之一。如果把原子比作一個(gè)足球場(chǎng)，那原子核還不到一只蒼蠅那么大。

后來(lái)盧瑟福和他的事們，不斷的轟擊了很多不同的物質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)不同原子的原子核的電荷數(shù)和重量都不一樣，并且據(jù)此還發(fā)現(xiàn)了中子和質(zhì)子。于是，此時(shí)盧瑟福的原子模型就是這樣子的：帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成了原子核，而帶負(fù)電的電子就圍繞著原子核在轉(zhuǎn)，就像行星繞著恒星旋轉(zhuǎn)一樣。

但是盧瑟福的這個(gè)原子模型，還存在著一些沒(méi)法解釋的問(wèn)題。比如：帶負(fù)電的電子繞著帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)，正負(fù)電子相互吸引，電子為什么不墮入原子核里？當(dāng)時(shí)盧瑟福對(duì)此的解釋是，電子繞著原子核心旋轉(zhuǎn)，就像行星繞恒星旋轉(zhuǎn)一樣，有一個(gè)離心力平衡了吸引力，所以電子沒(méi)有跌入原子核中。但這種說(shuō)法是站不住腳跟的，電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)，屬于變速運(yùn)動(dòng)，而麥克斯韋方程告訴我們，帶電物體做變速運(yùn)動(dòng)一定會(huì)產(chǎn)生輻射。電子在產(chǎn)生輻射中損失能量最終也會(huì)墮落到原子核中。計(jì)算表明，這樣繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子會(huì)在10^（-12）秒內(nèi)就會(huì)因?yàn)槟芰繐p失而瞬間掉入到原子核內(nèi)。

第二個(gè)問(wèn)題是，原子輻射的光譜線為什么是不連續(xù)的？我們知道，光就是電磁波，而光的頻率與它的波長(zhǎng)成反比，不同的光波對(duì)應(yīng)的就是不同的顏色。所以不同的原子它的電磁輻射不同，它們具有不同的光譜線。但是同一種原子發(fā)出來(lái)的電磁波，也就是光譜線為什么是一條條不連續(xù)的線呢？如氫的原子輻射的光譜線是這樣的：

氫原子的輻射光譜

玻爾的原子模型

這些問(wèn)題，一直讓盧瑟福抓狂。直到1912年，尼爾斯.玻爾的到來(lái)，終于迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。玻爾開(kāi)始是找湯姆遜做導(dǎo)師的，但是因?yàn)闆](méi)投緣后又找到了盧瑟福，盧瑟福就把這些問(wèn)題丟給玻爾去研究。

當(dāng)時(shí)對(duì)于光譜線不連續(xù)的問(wèn)題，有一個(gè)瑞土的中學(xué)老師叫做巴爾默，他找到了氫原子光譜線的一些相關(guān)的規(guī)律，就是其中一些輻射光的波長(zhǎng)的倒數(shù)正好正比于一個(gè)值（1/4-1/n^2），并得出了一個(gè)公式：

式中的n大于2，λ代表的是波長(zhǎng),R是一個(gè)常數(shù)。這個(gè)公式，當(dāng)時(shí)只是一個(gè)數(shù)學(xué)上的規(guī)律，人們并不知道它意味著什么。但是玻爾自從在“人群中多看了它一眼”，這個(gè)巴爾默公式簡(jiǎn)直猶如晴天霹靂，它就像一個(gè)火花一樣點(diǎn)燃了玻爾的靈感。公式中的變量N，是一個(gè)大于2的正整數(shù)，可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5、4.5，這不是正好是一種量子化的表述嗎？

尼爾斯.玻爾

普朗克在1900年時(shí)，就曾經(jīng)把黑體輻射的能量假設(shè)成一份份的，并且得出E=hν，能量與頻率有關(guān)（量子論誕生之黑體輻射：真正的革命是連革命者本人都在反對(duì)它）。愛(ài)因斯坦也從光電效應(yīng)中推出光是量子化的（量子力學(xué)（三）光電效應(yīng)：這18年間，唯一一位認(rèn)真對(duì)待光量子的人）。這時(shí)巴爾默公式又說(shuō)明原子只能放射出波長(zhǎng)符合某種量子規(guī)律的輻射，這個(gè)說(shuō)明什么呢？說(shuō)明在原子的內(nèi)部，它只能以特定的量吸收或發(fā)出能量，那么電子的軌道是不是也可以是量子化的呢？于是一個(gè)大膽的想法就在玻爾的腦海中浮現(xiàn)了出來(lái)，他得出了一個(gè)新的原子模型：原子中電子的運(yùn)行軌道是固定的，每一個(gè)軌道對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的能量；電子只能在這條固定的軌道里運(yùn)行，并且此時(shí)并不輻射或吸收能量；電子在不同的軌道間躍遷時(shí)才會(huì)輻射或吸收能量，這個(gè)輻射或吸收能量的大小等于兩個(gè)躍遷軌道的能量之差；電子軌道還有一個(gè)角動(dòng)量，角動(dòng)量也是量子化的。玻爾原子模型大概就如下圖：

玻爾模型的簡(jiǎn)化示意圖

玻爾的原子模型剛出來(lái)時(shí)，也有很多反對(duì)的聲音。后來(lái)愛(ài)因斯給了他非常有力的肯定，大家于是才開(kāi)始重視起玻爾的模型。玻爾的原子模型雖然能很好的解釋了盧瑟福原子模型存在的兩個(gè)問(wèn)題:電子最低能級(jí)的能量也是最低，也就是基態(tài)，所以沒(méi)法再向原子核墮落；而由于軌道的能量是量子化的，所以輻射和吸收的能量也是量子化的，這樣對(duì)應(yīng)的頻率也是量子化的，因此，原子光譜的譜線是分立的而不是連續(xù)的。

玻爾據(jù)此也得到了1922年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。但是關(guān)于玻爾的模型，同樣存在著很多沒(méi)法解釋的問(wèn)題。如為什么電子在同一個(gè)軌道中運(yùn)動(dòng)時(shí)并不輻射能量？電子的軌道是不連續(xù)的，那電子是如何從一個(gè)能級(jí)躍遷到另外一個(gè)能級(jí)的軌道？難道它們有自由意志，它們會(huì)象嶗山道土一樣有穿墻術(shù)嗎？

德布羅意的原子模型

這個(gè)詭異的現(xiàn)象，后來(lái)法國(guó)物理學(xué)家路易.德布羅意大膽的給出了一個(gè)假設(shè)，他認(rèn)為電子是一種波。他于1924年的博士畢業(yè)論文里，明確的說(shuō)明了：實(shí)物粒子和光一樣，也具有波粒二象性！

本來(lái)光具有波粒二象性，已經(jīng)是夠詭秘夠不可思議的了，畢竟光的靜止質(zhì)量為0，而這些有靜止質(zhì)量的實(shí)物粒子都是實(shí)實(shí)在在的，你德布羅意一個(gè)還沒(méi)畢業(yè)的博士生突然再來(lái)一個(gè)物質(zhì)也是一種波，這簡(jiǎn)直就是石破天驚呀！他的導(dǎo)師郎之萬(wàn)看到論文時(shí)，幾乎是嚇得在叫“救命呀！快來(lái)人！”。他不敢下結(jié)論，于是發(fā)給愛(ài)因期坦求助。愛(ài)因斯坦給出的評(píng)論是：德布羅意可能揭開(kāi)了物理學(xué)大幕的一角。

德布羅意

物理學(xué)家們提出一個(gè)假設(shè)，是不能憑空想象的，為了證實(shí)推理的正確性，還得加上數(shù)學(xué)公式去論證。說(shuō)到數(shù)學(xué)公式許多人都被嚇到了，別擔(dān)心，這里為了能說(shuō)清楚問(wèn)題，我們只是做個(gè)簡(jiǎn)化的推理過(guò)程，保證公式也是最簡(jiǎn)單的。

我們知道電子是有質(zhì)量的，那么通過(guò)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2，德布羅意想到電子也有一個(gè)對(duì)應(yīng)的能量。而根據(jù)普朗克的能量公式：E=hν（h是普朗克常數(shù)，ν是光的頻率。）他推導(dǎo)出電子是有一個(gè)內(nèi)稟的頻率的。這里就是關(guān)鍵了，頻率我們知道它是跟波的振動(dòng)周期有關(guān)的，那么本來(lái)是一粒粒的電子，現(xiàn)在竟然跟波也有了關(guān)系，這個(gè)關(guān)聯(lián)許多人都不敢去想，而德不羅意就想到了。

這個(gè)頻率也很容易算得出來(lái)，根據(jù)mc^2=E=hν，得出ν=mc^2/h。德布羅意通過(guò)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，他還得出，當(dāng)電子以V的速度在前進(jìn)時(shí)，會(huì)伴隨著一個(gè)速度為C^2/V的波。并且這個(gè)波的波長(zhǎng)也可以計(jì)算出來(lái)，就是速度除以頻率：λ=(c^2/v)/(mc^2/h)=h/mv。這個(gè)波就叫做相波，也稱之為意布羅意波。我們把公式簡(jiǎn)化為：

一個(gè)數(shù)學(xué)公式，當(dāng)它輸入代表粒子特征的“能量”時(shí)，能推導(dǎo)出一個(gè)具有波的性征的“振動(dòng)頻率'出來(lái)，而輸入代表波的特征的“振動(dòng)頻率”時(shí)，它也能推導(dǎo)出代表粒子特征的“能量”出來(lái)，這就是德布羅意波公式的內(nèi)在含義，它意味著實(shí)物粒子是具有波粒二象性的。而電子能在不同能級(jí)間跌遷，就是靠這個(gè)波粒二象性。當(dāng)能級(jí)兩邊的粒子的能量達(dá)到某個(gè)特定的能量值時(shí)，兩邊粒子的波發(fā)生共振，這時(shí)就會(huì)有一小部分的能量以極小的概率穿越能級(jí)的障礙到達(dá)對(duì)方的地盤。

在愛(ài)因斯坦的大力支持下，德布羅意不僅通過(guò)了博士論文的答辯，還獲得了1929年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。電子的波粒二象性雖然理論上說(shuō)得通，但是許多人還是不服氣的，他們沖著德布羅意說(shuō):你能做出一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證它嗎？德布羅意談定的預(yù)言說(shuō)：可以，只要你讓電子通過(guò)一個(gè)晶體，就可以得出具有波的特征的衍射，干涉等現(xiàn)象。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)條件的限制，這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。直到1927年，戴維遜和革末用電子束通過(guò)單晶的實(shí)驗(yàn)，看到了電子衍射的現(xiàn)象。1937年，G.P湯姆遜也用多晶金屬箔薄膜透射法發(fā)現(xiàn)了電子的衍射現(xiàn)象，它們證實(shí)了德布羅意波的存在。戴維遜和G.P湯姆遜同時(shí)獲得了1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)G.P湯姆遜就是發(fā)現(xiàn)電子的J.J.湯姆遜的兒子。他爸因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了電子是一種粒子而獲獎(jiǎng)，兒子卻因發(fā)現(xiàn)電子是一種波而獲獎(jiǎng)，這在科學(xué)史上成為了一段傳奇的佳話。

電子通過(guò)晶體形成的干涉圖

此后，人們相繼采用中子、質(zhì)子、氫原子甚至分子、大分子、超大分子等粒子去做實(shí)驗(yàn)，也同樣觀察到衍射現(xiàn)象，這充分證明了所有實(shí)物粒子都具有波粒二象性，而不僅限于電子。

所有的物質(zhì)都具有波粒二象性，這真是太不可思議了！難道我們身邊的汽車、足球、房子、人......都具有波粒二象性嗎？確實(shí)是的，波粒二象性是所有物質(zhì)的內(nèi)稟性質(zhì)。只是因?yàn)樵讦?h/mv中，普朗克常數(shù)h太小，而宏觀的物質(zhì)質(zhì)量太大，所以這個(gè)波長(zhǎng)實(shí)在太小，小到我們沒(méi)法感受得到而已。

物理學(xué)家文小剛說(shuō)過(guò)，量子力學(xué)是一場(chǎng)統(tǒng)一了波和粒子的革命。

我們所在的經(jīng)典宏觀世界，看到的感受到的只是一種表面現(xiàn)象，微觀世界里物質(zhì)既是波又是粒子的性質(zhì)才是它真實(shí)的面目。并且這種波粒二象性衍生出來(lái)的各種各樣詭異的現(xiàn)象，至今我們都沒(méi)法完全解釋得清楚，什么量子不確定性，量子隧穿，量子糾纏......這是后話了。

所有粒子既是連續(xù)的波，同時(shí)也是不連續(xù)的點(diǎn)狀粒子。以后我們觀察身邊的世界時(shí)，又多了一個(gè)不同的視角。我們要把粒子看成波，把波看成粒子，同時(shí)還得使用波和粒子的角度。

最后用一句話作為結(jié)束吧：“哪有什么歲月靜好，不過(guò)是微觀粒子在替你詭秘前行?！?/strong>

和大人聊科學(xué)，小朋友卻聽(tīng)懂了，就是醬子聊科學(xué)，關(guān)注我漲姿勢(shì)~