解释一下量子力学中的波粒二象性：量子力学理论和波粒二象性原理

第一章开启非凡之旅

一言十问 概览量子物理

阿根廷诗人豪尔赫·路易斯·博尔赫斯曾经说过：“当宇宙已经是一座迷宫时，就不必再建造一座了。”这开篇第一章意在为您的量子物理之旅提供指引，既像一本旅行札记，又似一封诚意满满的邀请函。在这一章里，我们将为您概述量子物理学的主要概念和原理，之后的章节中我们会深入展开。

提到量子物理学，您一定会问：量子物理学讲的是什么？有哪些原理？与其他理论有何区别？为什么光在量子物理学中扮演着重要的角色？什么叫量子？对于这些问题，我们都给出了直奔主题、简洁明了的答案。

“所有的旅行者首先都是梦想家。”

——摘自布鲁斯·查特文《巴塔哥尼亚高原上》

本章的另一个使命是让您即刻沉浸在这一奇幻的理论之中，让您三言两语便能回答身旁穷追不舍、刨根问底的度假者向您提出的问题：人们耳熟能详的量子物理学到底是什么？当然，如果您已经知晓问题的答案，可以跳过此章。反之，若上文提到的某些专业技术词汇或不时出现的奥地利学者的名字让您有两脚在水中触不到底的感觉，请不要担心，前路不会暗淡无光，下文的讲解会为它增光添彩。

在这里，需要明确指出的是，本书并非要带您攀登量子物理的珠峰，而是为您配备好工具，助您到达第一个基础营地，并为您今后从更难攀登的北坡独立登顶传授关键要领。

当然，本书也并非意在剥夺您攻克难关的乐趣。的确，书中对有些难懂的部分进行了适当的简化或者使用了相似度极高的类比来帮助您理解，但这场非凡之旅对您提出的要求却并没有降低，它依然需要您高度专注、对知识充满渴求并做出一定的努力。正如拥有演员与诗人双重身份的雅克·甘布林所说：“没有压力，就没有输赢。有了渴望，就有了竞争和乐趣！”

量子物理学，一言以蔽之

爱因斯坦曾用相对论的重要推论——著名的公式E=mc²——来表明“一切皆能量”，或许我们也可以用下面这句话来概括量子物理学的精髓：

“一切皆波动！”

一切皆波动，一切都是“波”，像石子抛入水中后泛起的涟漪，像麦穗在风中形成的波浪，又像被乐器赋予了生命的旋律。但与这些我们在生活中常见的可感知的波不同的是，量子波不是以物质形式存在的波（与声波不同），它是看不见的（与光波不同），用任何方式都无法观察到。它是抽象的，属于另一个世界，一个想象中的数学世界，但它所产生的物理效应却能作用于我们所处的这个世界！

这种令人匪夷所思的作用是怎样产生的？那个抽象的世界与我们所处的现实世界之间有着怎样的关系？这种关系的本质又是什么？这些令人琢磨不透、困惑不已的问题促使着科学家们去重新审视“测量”的概念，从深层次去理解什么叫“观察”，甚至对“现实”这一概念重新加以定义。

量子物理十问

1.量子力学何时诞生？为何诞生？

量子力学是当今物理学的两大主要基本理论之一，另一个是爱因斯坦的广义相对论。

量子力学原理是在1900—1930年由一个以欧洲人为主的研究团队一步步构建起来的。如果说爱因斯坦和路易·德布罗意先后于1905年和1923年分别引入了光子和物质波的概念，由此为量子物理的诞生贡献了一份力量，那么，对理论加以完善并使其最终成为我们今天所知的量子理论的主要贡献者其实是沃纳·海森伯、埃尔温·薛定谔、保罗·狄拉克、尼尔斯·玻尔、沃尔夫冈·泡利和约翰·冯·诺伊曼这几位物理学家。

事实上，量子力学之所以诞生，是因为仅凭那个时代的理论（即以经典力学和电磁学为主的理论）已无法解释新的科学实验和观测结果。后来，那些旧的理论就被人们称为经典物理，与量子物理相对。

那些当时无法解释的主要科学实验和观测结果，将光与物质间的相互作用（如一个恒温物体辐射的问题）引入到了物理学中。

2.“量子”为何意？

法文中用physique quantique来表示量子物理。quantique这个词源自拉丁语quantum，意为“有多少”。quantum在现代法文中指代的就是“量子”，即“小粒子”，如果没有明确指出该粒子的性质，那么言下之意就是“能量小粒子”。从广义上说，任何能与量子物理有关联的概念或...

更准确地说，当两个物质发生相互作用时，构成一个物理量的最小单位就是量子。因此，我们就用物理量的量子化来描述这一相互作用的特征。

之所以把量子称为“能量小粒子”，是因为光的粒子性得到了证实（光是以能量子的形式存在的，这些能量子也被称为光子），且广而言之，我们周围的一切物质都显现出这样的一种粒子性。比如原子，我们很容易把它想象成物质粒子，其自身就具有一种粒子性的能量结构。根据最新理论推算，甚至时间和空间都很有可能由时空粒子构成。

3.量子物理学标志性的实验有哪些？

量子物理的探索者提出的颠覆性的原理和概念，需要大量的科学实验来证实。

毋庸置疑，最具代表性的实验是杨氏双缝实验（详见29页），该实验用两条狭缝凸显单个粒子的概率波概念，无论这个粒子是物质粒子（如电子或原子）还是光粒子（光子）。

另一些关键性的实验为量子物理初期的理论奠定了基础，尤其是那些证实了能量（光能或原子能）的量子化、自旋的存在以及物质波的真实存在的科学实验，这些实验都发生在离我们较为遥远的年代。近一些的则有证明量子纠缠和非定域性现象真实性的实验（1981年阿兰·阿斯佩的实验和2015年罗纳德·汉森的实验），以及与一些基本粒子的发现紧密相关的实验，如2012年发现希格斯玻色子的实验。

20世纪90年代，量子隐形传态的实现和相干物质波的产生（1997年法国物理学家克罗德·科恩·塔诺季因此获得诺贝尔奖）为我们开启了量子世界的多扇大门。最后，自2010年起，经全球各地许多官方及私人实验，量子信息学和量子生物学实现了腾飞。

4.这是一种得到充分证实的理论吗？

量子力学是一种得到极其充分证实的理论。它的升级版叫量子电动力学（内行人称之为QED）。量子电动力学将光和物质间的相互作用与爱因斯坦的狭义相对论融合起来，被有的学者视为有史以来得到最佳验证的理论！（在这一点上，该理论与爱因斯坦的广义相对论旗鼓相当，在2015年人们发现了该理论所预言的著名的引力波后尤其如此。）

然而，量子电动力学无法被应用到数量庞大的原子和物质上，在这种情况下，可以用量子物理的简化版（即本书的主要内容）来描述观测到的现象，即使使用这种简化的版本，科学预言和测量结果很多时候也相当一致，但仍存在一些异常的量子效应（比如在生物学和超导领域）有待解决。

5.量子物理学关注的对象是什么？

尽管量子物理主要应用于微观的领域，但其实量子效应存在于自然界的各个层面，从构成原子的基本粒子的亚微观层面，到人体、工业，再到宇宙天文学层面。

因此，量子物理关注的对象是世间万物，从无限小到无限大！我们甚至可以泛泛地说：“一切都跟量子有关！”

实际上，确实有可能把任何单个物体或多个物体与量子波联系在一起，即便我们无法获知或很难获知日常生活中那些物体的量子属性。现在，有一个独立的研究领域专门研究我们所观测到的原子尺度的量子世界和一个貌似与量子关系较远、我们日复一日生活其中的世界之间的边界所在。

6.这种理论与其他理论有什么不同？

与现代物理学的另一大支柱——广义相对论——不同，量子力学并非建立在一个准哲学的伟大原理之上，它与建立在运动相对性原理上的相对论是不一样的。量子力学的建立，事实上借助了一系列原理，但直至今日，这些原理的解释仍旧容易引起争论。有些人有时会将这些原理的集合比喻成量子力学大餐的“神秘配方”，这些奇怪的“秘方”里有着同样奇怪的“配料”，如概率波、自旋、量子跃迁等概念。

总的来说，量子力学标志着科学上确定性的终结，将人们导向对物理学中所有常用概念的全面而深层的质疑。定域性、唯实论、测量、空间、时间、因果、真空，乃至宇宙的唯一性和存在本身似乎也被一一推翻了！

量子力学还有一个奇怪之处，就是需要对它进行解释，而这种解释是一种对它那奇特的数学表述所进行的物理学上的解释。然而，尽管今天关于这个理论究竟是什么存在多种解释，但大多数科学工作者实际上都在一丝不苟地遵循物理学家大卫·莫明打趣时说的一句话——“闭嘴，算吧！”，也就是说他们只专注于量子理论中具有高度预言性和技术性的那些方面。

7.假如量子物理学只有一个原理需要记住，那会是哪一个？

如果说只有一个原理需要记住，那就是波粒二象性原理。

有些人可能会觉得纳闷儿，因为波粒二象性其实并不是一个原理（而更应当被归为量子理论体现出来的一个属性，所以起先并没有被作为原理提出来），且这里用了“二象性”一词，这容易造成理解上的困难，也容易导致错用或滥用的情况发生。

然而，波粒二象性最终的确实现了对量子物理精髓的完美概括，即一切都是波，一切皆振动。光和物质都有两面性，它们既具有粒子的性质，即以粒子的形式存在，又具有波的性质，即以波的形式存在。然而，这里所说的波，并不是真正的波。它是抽象的，存在于一个数学空间里，而这个数学空间与我们所处的这个真实的物理空间是有区别的。因此，这个所谓的波粒二象性原理其实应当由另一个原理来取代，那就是“一切都可以用量子波来表示”。

从更专业的角度来说，我们说的更多的是量子态，那么，正确的说法应该是“一切都可以用量子态来表示”。

8.量子物理主要应用于哪几大领域？

从量子物理的起源来看，它是对构成物质的不同微观粒子进行描述的一门理想化的科学。包括除了这些微观粒子原子及组成原子的电子、质子和中子外，还包括所有更小的粒子，如中微子、夸克等，量子理论的一大应用领域就是著名的粒子物理学领域。粒子物理学旨在掌握基本粒子（如希格斯玻色子）的本质及其各种属性。

场、力、能量

如果说尼采曾经提醒过我们，“每个词都是一种偏见”，那么科学上所用的词更是有过之而无不及了，因为大多数科学术语的词义与其常用意思常常大相径庭。

譬如，“力”这一概念，指的是任何一种可以改变一个物体运动的作用。如果该物体在这个力的作用下发生位移，我们就说这个力对物体做了功，即能量从一点转移到了另一点。而说到能量，它的形式是千变万化的（动能、势能、热能、功等），它能轻易地从一种形式变成另一种形式，总体上却没有损耗。比如说，爬山就能将生物能转化成许多不同形式的能量，尤其是热能和重力势能。

宇宙中存在着许许多多不同的力（压力、摩擦力、科里奥利力等），我们今天对物理学有着与以往不同的理解，因而对力的研究也超出了四大宇宙基本力（按由弱到强的顺序依次为引力、弱核力、电磁力、强核力）的范围。每一种力都与一个场联系在一起。场是一个由一定时空范围内所有时空节点定义的物理量，有点儿像海面上某一点的水位高度。组成物质的粒子就可以看成是场的激发态（如同海上的波纹或轻浪），场与场之间的相互作用也是通过这些场所产生的粒子实现的。

将量子力学和爱因斯坦相对论的简化版相结合所形成的一系列量子理论的集合，我们称之为“量子场论”。其中，量子电动力学研究的是光和物质之间的相互作用，而量子色动力学研究的是原子核的结构。

量子理论另一个重要的应用领域是量子化学。人们在这一领域中试着去了解原子是怎样结合在一起形成化学键和分子的，并对这一过程进行建模。还有一个领域，即固体物理学领域，在这一领域中，人们探索的是宏观世界物质的结构，试图弄明白为什么某种材料是固体，它为什么能够导电和导热，又是如何导电和导热的，是否有可能制造新材料……这一领域与微电子和纳米科技有着密切的联系。

9.量子物理与我们有什么关系？

首先，量子物理从实验室里走出来已经很久了！

举几个例子：所有电子设备的组成部件（激光二极管、晶体管、U盘等）的工作原理都是基于一个名叫“隧道效应”的量子效应；GPS那一类的系统所依赖的超精准、超稳定的时间基准都是由原子钟提供的；我们利用的核能和太阳能也依赖于量子过程；激光外科手术和医学可视化技术更是如此。总而言之，在我们周围发生的几乎所有物理过程，从光合作用到我们的手无法穿透这页纸或平板电脑（如果您购买的是本书的电子版的话）的事实，这些都与光怪陆离、令人匪夷所思的量子世界息息相关。

同样，量子物理也经常出现在我们的日常生活中，而它现身的形式嘛……是词语！雷蒙·普恩加莱就很乐于称其为“神秘的灵魂路人、大魔法师和群众中可怕的带头人”。为什么这么说？因为“量子”一词非常时髦，文学作品里也充斥着从“量子”一词衍生出的许多词汇，涉及那些看起来与常见的量子物理应用领域毫无关系的医学、哲学、体育、艺术及各种精神层面的领域。

翻开这本书的时候，其实您就已经做出了选择，您想了解人们时常误用的那些量子物理学领域的专业术语的真实含意，于是您给了自己一个机会，让自己学会辨别哪些说法是滥用的、不可信的，哪些是即便在数学和物理学上并不正确却不失趣味、由灵感而发或能启迪众生的。

最后，如果说量子物理在今天只占据了我们日常生活的一部分，那么明天它必将大举入侵！向我们袭来的是纳米粒子、以石墨烯为代表的超薄新材料、为银行系统和投票选举提供安全保障的量子密码学、人工智能、未来的计算机、量子生物学……

10.为什么光是量子物理学中的主角？

光曾是量子物理学中的主角，并将继续担任主角，原因有以下几点。首先，量子物理学是20世纪初人们在研究光的性质时诞生的。光的历史性角色在多个层面都起到了关键作用。例如，光的粒子性指引人们研究出了“量子化”这一重要概念，而光与物质间（通过量子跃迁偶然产生）的相互作用所具有的随机性又成功地使科学家们相信可观测世界存在最基本的概率性。最后，由于光具有双重性质，即波动性（光波）和粒子性（光子），德布罗意和薛定谔才有了将波与任何一种粒子联系在一起的想法，如此一来，波粒二象性的概念也就推而广之地与任何一种实体（无论是光还是物质）建立了联系。

光在探测物质的过程中也起着极为重要的作用：无论一个原子位于何处（是在地球上还是在浩瀚的宇宙尽头），通过分析它释放或吸收的光，我们就可以确定它的能量“条形码”。由于光具有极高的纯度和易操作性（如激光和光学仪器），因此在几乎所有的量子物理实验中，无论是准备、控制还是测量重要的物理量和物理系统，光都是不可或缺的。光可以轻而易举地产生量子叠加态和纠缠态，这也正好说明了为什么在量子信息和量子隐形传态中光都处于核心地位。

由于光是物质粒子间电磁相互作用的载体，因此它还是量子电动力学理论的一块基石。光子是纯能量粒子，光子测试系统在今天已成为模型系统，用于测试与量子物理潜在扩展领域有关的那些最大胆的研究。