我們都知道,微觀粒子都具有波粒二象性,不僅僅是光子,電子質子和中子等微觀粒子也有波粒二象性。通俗來講,電子和光子等基本粒子既是粒子也是波,當我們不觀測時,它們就表現為波的特性,一旦我們實施了觀測,就表現為粒子特性。
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電子具有粒子特性,這很好理解,畢竟在人們的固有思維里,電子就是類似玻璃球那樣的實體粒子。但電子為何同時擁有波的特性呢?為何微觀粒子擁有波粒二象性呢?
目前我們并不知道波粒二象性的真正本質到底是什么,只知道波粒二象性的確真實存在,我們只知其然,不知其所以然。波粒二象性最好的實驗證據就是電子雙縫干涉實驗,這個實驗在之前的科普文章中說過很多次了,這里就不再詳述了。
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總之,波粒二象性是微觀世界的固有屬性,如果非得為這個屬性找個理由的話,那就是微觀世界的不確定性。也就是說,波粒二象性本質上來講就是不確定性的具體表現,當我們不觀測時,微觀粒子的狀態就是不確定的,只能用波函數來描述,體現出來的就是波動性。而當我們觀測時,微觀粒子就會表現出確定性,波函數就會發生坍縮,成為粒子性,也就是確定狀態。
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我們的宏觀物體就不具備這種不確定性和波粒二象性,日常生活經驗告訴我們,很容易就能確定宏觀世界里物體準確的位置和速度信息,物體的狀態完全是確定的。
但理論上講,宏觀物體是由微觀粒子組成的,而且宏觀與微觀本來也沒有明確的分界線,就好比大和小沒有嚴格的分界線一樣,宏觀與微觀的定義本來就是非常模糊的。
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這意味著,我們眼里的宏觀物體也應該具有微觀粒子的特性,也就是波粒二象性,宏觀物體也應該有波的特性。但為何我們沒有發現宏觀物體具有這種特性呢?
一位著名的物理學家德布羅意給出了答案。按照如今的眼光來看,德布羅意是標準的官二代,他完全可以瀟灑一生,沒想到不甘寂寞的他去研究微觀粒子的波粒二象性,結果一發不可收拾。
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德布羅意天賦驚人,作為物理學博士,他結合愛因斯坦的相對論和普朗克常數,提出了一個讓所有人震驚的結論:物質波。任何物質都具有波動性,包括我們每天看到的宏觀物體。
一開始,很多人對德布羅意的物質波觀點都持質疑態度,這也很正常,我們每天看到的宏觀物體怎么可能具有波動性呢?不過并不是所有人都反對德布羅意的物質波概念,偉大的愛因斯坦就是為數不多的支持者,他對物質波概念贊賞有加。
何為物質波呢?
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物質波,也就是概率波,或者是“德布羅意波”,講的是任何物體都會伴隨著一定的波長,這個波長到底有多少呢?有沒有具體公式進行計算呢?
確實有公式。
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公式非常簡單,其中的h是普朗克常數,非常小,只有大約10的負34次方,而公式中的p為物體的動量。能夠看出,物體的波長與動能成反比。由于動能是質量與速度的乘積,所以在速度確定的情況下,物體的波長與質量成反比。
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質量越大,波長就越小。反之,質量越小波長就越大。
宏觀物體的質量與微觀粒子相比,都很大,所以宏觀物體的波長都很短,短到不但我們的肉眼看不出來,最精密的儀器也測量不出來。所以宏觀物體很難表現出波動性,只有粒子性,也就是確定性,這也是為什么我們會看到宏觀物體的狀態如此確定。
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那么,宏觀物體的波長到底有多長呢?比如說有一個棒球,質量為0.1公斤,速度為每秒3米。代入上面的波長計算公式,很容易計算出來這個棒球的波長小到完全可以忽略不計,只有原子核半徑的萬億分之一!
原子核有多小?與原子大小對比就知道了。原子直徑約為10的負10次方米,而原子核僅為原子大小的萬分之一。如果原子有體育場那么大,那么原子核就相當于螞蟻大小。
一個棒球的波長就這么短了,比棒球質量更大的你和我的波長就更短了,就更不可能被觀測到了。
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但無論如何,德布羅意的物質波理論告訴我們,萬物皆有波,也都有波動性。既然具有波動性,也會具有波粒二象性,也就是不確定性,理論上講,宏觀物體的狀態也是不確定的。
但由于宏觀物體質量太大,波長很短,宏觀物體的不確定性根本體現不出來。純理論上講,此刻的你正在家里的沙發上拿著手機讀這篇文章,你也有可能同時出現在月球上或者其他任何地方。
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但現實中不發生這種事情,因為幾率實在太低了,低到完全可以忽略不計!
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