讓我們以波粒二象性這一量子現(xiàn)象為例。這表明，每個粒子不僅可以部分地用粒子行為來描述，還可以部分地用波的行為來描述。能夠?qū)㈦娮用枋鰹椴ㄊ刮覀兡軌蚶斫夤璧碾妼W(xué)性質(zhì)。將這種硅堆疊起來可以制造出納米級的晶體管。將數(shù)百萬個這樣的晶體管組裝在一起就構(gòu)成了為你的手機和筆記本電腦提供動力的計算機芯片。

關(guān)于量子力學(xué)的課程如果留學(xué)生有不了解的內(nèi)容，可以直接點擊藍(lán)字獲取專業(yè)的課程輔導(dǎo)！

類似地，將光描述為不是熟悉的波而是粒子 —— 光子 —— 給了我們激光。在許多其他用途中，激光是通過光纖電纜發(fā)送信息的光源。沒有激光就沒有互聯(lián)網(wǎng)，也沒有全球電信。

但是波粒二象性意味著什么呢?像電子這樣的基本粒子真的也是波嗎?反之亦然嗎?如果你依據(jù)幾十年的實驗結(jié)果，答案通常是量子力學(xué)式的：既是又不是。最清晰的證據(jù)來自經(jīng)典的雙縫實驗。

一、雙縫實驗

在 19 世紀(jì)早期，托馬斯?楊進(jìn)行了這個實驗的前身。這是第一個證明光是一種波的證據(jù)。這個實驗包括向一個有兩條狹縫的屏幕發(fā)射光。在屏幕后面有另一個屏幕，可以檢測穿過狹縫的光最終到達(dá)哪里。當(dāng)你這樣做時，從狹縫中射出的光會擴散。擴散的光在撞擊第二個屏幕之前相互混合。在后面的屏幕上產(chǎn)生的條紋圖案很能說明問題。這是一個干涉圖案 —— 一個明確的標(biāo)志表明光是一種波。

如果你用電子或任何其他一次發(fā)射一個的粒子代替恒定的光束，你不會期望得到相同的圖案。如果有什么的話，它們應(yīng)該只是在后面的屏幕上形成兩條狹縫形狀的線。但它們沒有。單個粒子如預(yù)期的那樣一次一個地撞擊后面的屏幕。然而，作為一個整體，它們具有波的特征，形成了一個干涉圖案。不知何故，每個粒子都在為整體的波狀行為貢獻(xiàn)自己的一部分。它們表現(xiàn)出波粒二象性。

事情變得更加奇怪。為了找出單個粒子通過哪個狹縫，你可以在狹縫出口處設(shè)置一個粒子探測器來進(jìn)行這個實驗。當(dāng)你這樣做時，所有的波狀行為都消失了。在后面的屏幕上形成兩條狹縫形狀的線，這是粒子的特征。觀察的行為 —— 或者更準(zhǔn)確地說，測量并因此干擾系統(tǒng)的行為 —— 確保電子像行為良好的粒子一樣運動。

二、普朗克和愛因斯坦

這樣的結(jié)果凸顯了量子世界與我們的日常經(jīng)驗有多么不同。但是量子現(xiàn)實的證據(jù)是壓倒性的。

1900 年，德國物理學(xué)家馬克斯?普朗克開啟了這一進(jìn)程。他對加熱表面的令人困惑的結(jié)果很感興趣，這些表面吸收所有照射在它們上面的光的頻率，也就是所謂的黑體。普朗克通過說能量不是均勻流動的，而是以他稱為量子的離散小數(shù)據(jù)包的形式釋放出來，解決了這個問題。這些量子有一個相關(guān)的頻率。而兩者之間的關(guān)系需要一個微小的新的自然常數(shù)：普朗克常數(shù)。他發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)的第一個線索 —— 能量不是連續(xù)的。

普朗克本人認(rèn)為這些能量量子只是一個有用的數(shù)學(xué)技巧，以使方程成立。但五年后，阿爾伯特?愛因斯坦表明量子是真實的。愛因斯坦通過解決另一個讓物理學(xué)家困惑的現(xiàn)象 —— 光電效應(yīng)，做到了這一點。

實驗表明，如果你將光照射在金屬表面上，它會發(fā)射出電子。但是這些電子的能量只隨光的頻率變化，而不隨其強度變化。這在當(dāng)時毫無意義。強烈的輻射應(yīng)該更多地激發(fā)電子，并以更多的能量將它們發(fā)射出去。

愛因斯坦表明光本身的能量等于其頻率乘以普朗克常數(shù)。光被量子化了。如果光以數(shù)據(jù)包的形式出現(xiàn)，那么在某些方面它表現(xiàn)得像一個粒子。后來，法國物理學(xué)家路易?德布羅意證明了相反的情況：粒子可以具有波的特性。

三、讓位于概率

在解開時間、空間和引力之謎的間隙，愛因斯坦引入了波粒二象性背后的思想。并且他在這個領(lǐng)域做出了其他幾個重要貢獻(xiàn)。但到了 20 世紀(jì) 20 年代中期，他開始與量子理論的發(fā)展保持距離。這是因為量子力學(xué)沒有提供精確的測量。它只給出了計算概率的規(guī)則。愛因斯坦根本無法接受機會在宇宙結(jié)構(gòu)中起作用。

在許多人中，埃爾溫?薛定諤特別突出，他表明機會是宇宙運作方式的核心。在這個過程中，他對微觀世界產(chǎn)生了一種全新的看法。為了解決原子結(jié)構(gòu)理論中的問題，薛定諤寫了一個方程，該方程決定了一個被稱為波函數(shù)的概率波如何隨時間演變。

這聽起來相當(dāng)枯燥，但卻是一大步。這意味著對于給定時間的給定電子，它在你想要的位置 —— 或者實際上在任何位置 —— 的概率可以精確計算。

薛定諤方程在雙縫實驗中也有一個深遠(yuǎn)的結(jié)果。根據(jù)你的觀點，它可以有幾種含義。但有兩種流行的解釋。

要么一個粒子以某種方式選擇許多可能的路徑中的哪一條來最終到達(dá)它在后面屏幕上的落點。要么它走所有可能的路徑，但在我們的宇宙中只實現(xiàn)一條，其余的在不斷擴大的平行宇宙中實現(xiàn)。

即使在今天，物理學(xué)家也不確定這些解釋中的哪一個(如果有的話)是正確的。

海馬課堂專業(yè)課程輔導(dǎo)做出以下新改變啦：
?試聽課全面升級，不滿意退50%，
?課程輔導(dǎo)產(chǎn)品升級，贈送考前保障呦
?輔導(dǎo)不滿意可以隨心退！
海馬課堂，4000+嚴(yán)選碩博學(xué)霸師資，針對學(xué)生的薄弱科目和學(xué)校教學(xué)進(jìn)度，匹配背景相符的導(dǎo)師，根據(jù)學(xué)生情況進(jìn)行1V1專屬備課，上課時間靈活安排，中英雙語詳細(xì)講解課程中的考點、 難點問題，并提供多方位的課后輔導(dǎo)，輔助學(xué)生掌握全部課程知識，補足短板。