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電子為何具有波粒二象性?或者說電子到底是粒子還是波?

2024-01-29 11:31:33


答案很簡單——事實並非如此!電子實際上只是波!確實,課本上說光子既是波又是粒子,這被稱為波粒二象性。網上也有大量的文章都表述說光子或電子有時表現得像“波”一樣,而有時候則表現得“粒子”,尤其是諸如在談論雙縫干涉實驗、β輻射、電子槍等物理概念時(β射線實際上就是電子,而我們看過的老式電視映象管就是靠電子依次轟擊整齊排列的熒光粉點陣而顯現出影象的)。

在量子力學的領域並不存在粒子的概念

然而,量子力學並沒有說波同時是粒子,也沒有說粒子有時是波有時是粒子。事實上,在科學家們在發展早期量子理論(與光電效應和黑體輻射有關的那些東西)時,電磁波跟粒子從來就沒有瓜葛。但他們發現電磁場具有離散的能級,且把不同頻率的電磁波的最小能級定義為為一個電磁波的量子——實際上就是光子,注意這裡並沒有說電磁波的量子是粒子。愛因斯坦證明了電磁波的能量確實能夠以離散的方式出現,這最終證實了普朗克的理論,但他沒有說離散的就是粒子。也就是說,從量子理論建立之初,並沒有科學家說量化的波就是粒子。

波要如何“離散”?

實際上,當思考到波怎麼會具有離散的能級時,就會出現詭異的狀況。波的能量與其振幅成正比,如果能級是連續的那麼波的振幅也應該是連續的,而可量化的能級則意味著波的振幅也應該是量化的,這就是“詭異”的事情(至少在早期量子理論中——振幅怎麼量化?)

讓我們想想繩子上的駐波。它的振幅就不是連續的,而是在一段時間內保持恆定,然後“跳躍”到另一個級別再重複一次這個過程,實際上駐波的各種特性都在不同的方面表現出離散性。這也是向在空穴內原子施加以離散能量輻射時而導致其產生振動的情況——這個原子的振幅必然是離散的,是可以進行量子化的。可原子是實實在在的粒子啊?它的振幅怎麼能是離散的呢?這是在量子力學發展初期大多數物理學家都很感興趣的問題。

駐波的離散特性

如果根據上面的思路來推廣的話,原子可能就只是幾種不同的波相互作用而成的一種波的集合,其中電子可以視為一種,而質子和中子則可以視為另外一種(由複雜的夸克波構成)。

我們的物質世界也不過是複雜的各種波相互作用的結果。我們的身體和我們看到的光沒有本質區別。

粒子實際上並不存在

雖然這裡用了“粒子”這個詞,但只是方便你從經典物理的語境中理解這裡要表達的意思。

早期量子理論實際上仍然是經典物理學。當時的物理學家從未接受過波可能像粒子一樣。實際上,粒子雖可以表現出離散的行為,但問題是粒子在透過兩個小縫隙時無法產生干涉圖案。所以,事實證明,如果你完全排除粒子的概念並用波代替它,就像德布羅意做的那樣,那麼量子物理學就會變得直觀很多,就不會讓那麼多人懵逼了。

德布羅意假說的證實

德布羅意使用狹義相對論推測:所有粒子實際上都是波,並給出了波量子的動量與波長之間的關係。這種關係為薛定諤的波動方程的產生提供了引導。

薛定諤波動方程中的波函式代表的是機率密度,它描述了粒子所有可能位置狀態的疊加。這意味著,當測量粒子的位置時,波函式會崩潰,並且發生這種情況的位置恰好是您在測量過程中發現粒子的位置。

波粒二象性被誤解了

大多數人對波粒二象性的誤解就在於,波粒二象性並不能被分開理解為二元對立的“波”和“粒子”,實際上所謂波粒二象性體現的就是一種完整的特性,但事實上本文的意思是,“波粒二象性”就是“波動性”,所謂的“粒子性”只是“波動性”在某種條件下的一個表象,“波動性”是更本質的。

例如實驗並未發現電子可分,於是多數人就簡單認為電子是一個粒子。

關於波粒二象性的一個有趣解釋

實際上,波函式是一個平滑的空間函式,通俗點說它描述的是某種“波粒二象性”在全宇宙的分佈,這意味著它並不能告訴你電子的位置。但波函式又確實與位置有關,因為波函式表示的是粒子位置的機率分佈,這是馬克斯·玻恩給出的解釋。然而,這個思想後來又由保羅狄拉克改進,現在被廣為接受。

電子總是波,只是波,就是波。波函式是希爾伯特空間中抽象向量的集合,每個可能的位置都是它的基,它表示在特定位置測量電子的機率密度。當我們試圖測量電子的位置時,波函式會崩潰,於是我們就在這個地方發現了“電子”,但多數人會認為是我們撞到“電子”這個粒子,但事實不是這樣的。

在測量過程中,“波”不會將自身轉換為“粒子”,或者說當我們測量它時,電子不會突然開始表現得像粒子——它始終是波。真實發生的情況是,它在測量過程中變成“無限定域性”的波(也就是說在任意空間對它來說都只能算是區域性),並且這種無限定域波是被我們感知為單個電子(這就是我們所說的“波函式崩潰”)。粒子一直是波,測量不會使它變成一個粒子,它只是從一個無限存在的波變成了一個高度區域性化的波。

此外,個人感覺:量子糾纏的秘密或許就在於這裡——無限定域性(無限局域性),即在無限遠處作用都能立刻產生效果,這種無限定域性其實相當於非定域性,其本質現代物理學還無法解釋(高維度的理論如弦理論可能有解釋,但無法證實)。粒子的傳統概念代表著一個局域實體的概念,這個概念來自於日常生活的經驗。

在現代視觀點中,所有基本粒子都只是各自領域的波的激發。例如,光子是電磁場的最小激發水平(向量電位,它具有比傳統電磁學更豐富的結構。電場也具有離散的激發,這就是我們所觀測到的單個電子。根據量子場論,一切都只是波,粒子可以被認為是那些波的表現,也就是說波被觀察到其某種行為可以被描述為“粒子”,但粒子不是其存在形式或者本質,而波才是其本質存在形式。

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