二象性公爵
许多年前,青春懵懂的我去一所大学参加面试,坐在我面前的是四位杰出的科学家,他们问我对量子论了解多少。我当时太蠢了,在申请书里提到了量子论,所以他们想考考我,让我跌落一两个能量壳层。
我滔滔不绝地讲了一大堆关于波和粒子的事实,试图让他们觉得我非常了解,直到有个人举手示意,让我别说无意义的话,并且非常温和地问我:“那么,电子究竟是粒子还是波?”然后她坐回去,看着我不知所措的样子。我一点也不为那次经历感到痛苦,因为平心而论,她问的是一个无解的问题。
电子和光子有不同的行为方式,这个谜团被称为“波粒二象性”—这个术语的创造者是法国贵族、第七代布罗意公爵路易·皮埃尔·雷蒙(简称路易·德布罗意)。第一次世界大战期间,德布罗意在军队中服役,之后他坚持接受历史学和物理学的教育,他认为这对理解人类的过去和未来至关重要。
德布罗意20岁的时候,量子论已经成为科学界的一件大事,所以他决定写一篇关于这个核心谜题的论文。有没有可能宇宙中的事物既不是粒子也不是波,只有当我们做实验的时候它们才呈现出相应的形式?电子和光子是否以某种方式在两种状态之间来回跳跃?我们这些脑袋是否能在量子层面上理解大自然究竟在做什么?
谈到波的时候,我们可以根据它的频率(每秒钟波撞击的次数)和波长(相邻波峰之间的距离)计算它的能量。
由于我们也可以根据运动粒子的质量和速度计算它的能量,德布罗意提出了一个问题:为什么不能让这两个能量相等?如果知道某种物质的粒子属性,我们就能计算出它的能量,然后换一种思路把它想象成波,波的能量就等于我们刚刚计算的能量。能量是波物理学和粒子物理学之间的“翻译者”。