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          電子是如何同時具有波和粒子的特性或者說波粒二象性的?

          答案很簡單——事實并非如此!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(xiàn)得像“波”一樣,而有時候則表現(xiàn)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顯像管就是靠電子依次轟擊整齊排列的熒光粉點陣而顯現(xiàn)出圖像的)。

          在量子力學的領域并不存在粒子的概念

          然而,量子力學并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(fā)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(fā)現(xiàn)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,注意這里并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(xiàn),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,并沒有科學家說量化的波就是粒子。

          波要如何“離散

          實際上,當思考到波怎么會具有離散的能級時,就會出現(xiàn)詭異的狀況。波的能量與其振幅成正比,如果能級是連續(xù)的那么波的振幅也應該是連續(xù)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——振幅怎么量化?)

          讓我們想想繩子上的駐波。它的振幅就不是連續(xù)的,而是在一段時間內保持恒定,然后“跳躍”到另一個級別再重復一次這個過程,實際上駐波的各種特性都在不同的方面表現(xiàn)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??稍邮菍崒嵲谠诘?strong style="box-sizing: border-box;font-weight: 700;margin: 0px;padding: 0px;border-width: 0px;border-style: initial;border-color: initial;">粒子???它的振幅怎么能是離散的呢?這是在量子力學發(fā)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(由復雜的夸克波構成)。

          我們的物質世界也不過是復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(qū)別。

          粒子實際上并不存在

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

          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(xiàn)出離散的行為,但問題是粒子在通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并用波代替它,就像德布羅意做的那樣,那么量子物理學就會變得直觀很多,就不會讓那么多人懵逼了。

          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,并給出了波量子的動量與波長之間的關系。這種關系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數代表的是概率密度,它描述了粒子所有可能位置狀態(tài)的疊加。這意味著,當測量粒子的位置時,波函數會崩潰,并且發(fā)生這種情況的位置恰好是您在測量過程中發(fā)現(xiàn)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于,波粒二象性并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(xiàn)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。

          例如實驗并未發(fā)現(xiàn)電子可分,于是多數人就簡單認為電子是一個粒子。

          關于波粒二象性的一個有趣解釋

          實際上,波函數是一個平滑的空間函數,通俗點說它描述的是某種“波粒二象性”在全宇宙的分布,這意味著它并不能告訴你電子的位置。但波函數又確實與位置有關,因為波函數表示的是粒子位置的概率分布,這是馬克斯·玻恩給出的解釋。然而,這個思想后來又由保羅狄拉克改進,現(xiàn)在被廣為接受。

          電子總是波,只是波,就是波。波函數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概率密度。當我們試圖測量電子的位置時,波函數會崩潰,于是我們就在這個地方發(fā)現(xiàn)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(xiàn)得像粒子——它始終是波。真實發(fā)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局部),并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“波函數崩潰”)。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局部化的波。

          此外,個人感覺:量子糾纏的秘密或許就在于這里——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于非定域性,其本質現(xiàn)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(tǒng)概念代表著一個局域實體的概念,這個概念來自于日常生活的經驗。

          在現(xiàn)代視觀點中,所有基本粒子都只是各自領域的波的激發(fā)。例如,光子是電磁場的最小激發(fā)水平(矢量電位,它具有比傳統(tǒng)電磁學更豐富的結構。電場也具有離散的激發(fā),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(xiàn),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。

          總結

          電子不是“子”。

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