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80 光到底是波还是粒子?

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历史上科学家们一直在争论,光到底是波还是粒子,且双方观点都伴有确凿证据,到底谁是对的呢?

20世纪初,法国有个叫德布罗意的,他提出了“物质波”的概念。简单来说,德布罗意认为,没有绝对的波,也没有绝对的粒子,粒子也具有波动性,波也具有粒子性,任何物体都同时具有波动性和粒子性。当一个物体的粒子性强的时候,它的波动性就弱,而当一个物体的波动性强的时候,它的粒子性就弱。德布罗意正是从光的波粒之争中受到的启发,他认为,既然光可以表现为粒子,也可以表现为波,为什么其他粒子不行呢?这里面还有一段有趣的故事,德布罗意学习物理学也是半路出家,他原本学习的是历史,但是学到一半觉得物理学是一门非常“酷”的学科,从而转投物理学。德布罗意关于物质波的论文非常简短,这篇论文写得很像哲学论文,并没有太多物理学的计算,而只阐明了物质波的原理,并且给出了一个非常简单的公式:p=h/λ,p是粒子的动量,h是约化普朗克常数,λ是物质波的波长。这篇论文连德布罗意的导师都不置可否,因为这篇文章无论如何也很难通过博士论文的答辩。但德布罗意的父亲是法国政府高官,于是德布罗意的导师将文章寄给爱因斯坦,让他评判,并且表示爱因斯坦今后若是来法国一定会隆重接待。没想到爱因斯坦的回复却是这篇论文的观点非常有趣,相当于是为德布罗意的论文背书了,德布罗意也顺利地博士毕业。没想到这样一个简单的物质波的公式后来被证明是极其重要的,德布罗意也因此获得了诺贝尔物理学奖。

用德布罗意物质波的理论来解释玻尔模型是非常顺畅的。玻尔模型假设原子中的电子围绕原子核做圆周运动,除此之外,玻尔模型强行规定电子围绕原子核运动的角动量必须是量子化的。这个角动量量子化的条件本来是人为加入,但是用德布罗意物质波来解释却非常合理。如果把原子中的电子不当成粒子,而是当成物质波的话,一束物质波围绕原子核振动,则它必须是以首尾相连的形态才能稳定存在,而如果要首尾相连的话,圆形轨道的周长则必须是波长的整数倍。有了这个数学条件,再代入德布罗意物质波的公式,会发现角动量量子化的条件很自然地就推导出来了。当然,德布罗意最早写出物质波公式的时候,其实也是受到了玻尔模型的启发。所以在数学形式上,很难说是玻尔模型帮助了德布罗意,还是反之。但是物质波的哲学意味无疑比玻尔模型的表述更加贴近本质。