波粒二象性也許是整個(gè)物理學(xué)中最強(qiáng)大但又違反直覺的想法之一。它指出，每當(dāng)量子粒子在空間中自由傳播而未被觀察和測量時(shí)，它的行為就像波一樣。，不僅會(huì)與其他量子發(fā)生衍射和干涉，還會(huì)與自身發(fā)生衍射和干涉。然而，每當(dāng)同一個(gè)量子被觀察和測量，或被迫以揭示其量子態(tài)的方式與另一個(gè)量子相互作用時(shí)，當(dāng)粒子沿非線性方向移動(dòng)時(shí)，它就會(huì)失去波狀特性，行為就像粒子一樣。這種現(xiàn)象最早在 20 世紀(jì)初涉及光的實(shí)驗(yàn)中觀察到留學(xué)之路，現(xiàn)在已知它適用于所有量子，包括電子甚至原子核等復(fù)合粒子。
但波粒二象性的故事并非始于 20 世紀(jì)初，也并非終結(jié)于 20 世紀(jì)初，而是可以追溯到幾百年前：艾薩克·牛頓時(shí)代。這一切都始于一場關(guān)于光的本質(zhì)的爭論。這場爭論一直懸而未決（盡管雙方在不同時(shí)期都宣稱自己“勝利”），直到我們開始理解現(xiàn)實(shí)的量子本質(zhì)。雖然波粒二象性源于宇宙的量子本質(zhì)，但人類如何發(fā)現(xiàn)它卻充滿了神秘的故事。
克里斯蒂安·惠更斯 ( ) 巧妙地將看似簡單的平面波（如光或水穿過部分遮擋的障礙物）設(shè)想為一系列以球形向外傳播的波，這些波相互疊加。波動(dòng)力學(xué)這一思想不僅適用于水波等標(biāo)量波，也適用于光和粒子。
惠更斯：光是一種波
想象一下波浪在水中傳播，例如在海洋中：它似乎以特定的速度和特定的高度線性移動(dòng)，只有當(dāng)水深減小并撞擊海岸時(shí)才會(huì)發(fā)生變化。球面波不是線性的、連貫的實(shí)體，而是在傳播過程中相互疊加（如上圖所示）
惠更斯注意到干涉、折射和反射的存在，并發(fā)現(xiàn)它們適用于水波和光，因此他推測光也是一種波。這是首次成功解釋水波和光波的線性和球面波傳播。然而，惠更斯的工作也有局限性，包括但不限于無法解釋為什么波只向前傳播而不能向后傳播，無法解釋“邊緣效應(yīng)”，也無法解釋衍射發(fā)生的原因和方式。他的光概念無法解釋。解釋偏振的存在，當(dāng)陽光從水體反射時(shí)很容易觀察到偏振。
光是一種波的想法是由惠更斯提出的，并在整個(gè)歐洲大陸廣為流傳，但由于更有名的競爭對(duì)手的存在而局限于該大陸。
牛頓：光是粒子
1704 年，牛頓發(fā)表了他的論文《光學(xué)》，該論文基于他于 1672 年首次提出的實(shí)驗(yàn)。牛頓將光描述為一系列射線或微粒，而不是波，它們的行為方式類似粒子。這是從進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中直接推論出來的，重點(diǎn)是折射和衍射現(xiàn)象。通過將光穿過棱鏡，牛頓首次證明了光不是“白色”，而是通過與物質(zhì)的相互作用改變顏色，而白色光本身是由光譜中的所有不同顏色組成的。
他嘗試使用棱鏡和透鏡進(jìn)行折射，使用間距很近的玻璃板進(jìn)行衍射，以及使用各種顏色的光和顏料粉末混合在一起進(jìn)行顏色混合。牛頓是第一個(gè)創(chuàng)造“ROY G.BIV”調(diào)色板的人，他表明白光可以分解為紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色、靛藍(lán)和紫色。牛頓也是第一個(gè)意識(shí)到我們看到的顏色是由光的各種成分組成的。通過選擇性吸收、反射和透射產(chǎn)生。
楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)
在整個(gè) 18 世紀(jì)，牛頓的思想在世界各地廣為流傳，對(duì)伏爾泰、本杰明·富蘭克林和拉瓦錫等人產(chǎn)生了重大影響。但在 18 世紀(jì)末，即 1799 年至 1801 年，托馬斯·楊開始對(duì)光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)過程中，我們對(duì)光的理解取得了兩項(xiàng)重大進(jìn)展。
第一個(gè)，也是最著名的進(jìn)步如上圖所示：楊首先進(jìn)行了所謂的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。通過將單色光穿過兩個(gè)間距很近的狹縫，楊觀察到了一種只能用波動(dòng)行為來解釋的現(xiàn)象：光在其產(chǎn)生的圖案中產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性干涉波粒二象性原理，方式取決于光的顏色。楊通過定量研究進(jìn)一步證明，我們感知到的光的顏色實(shí)際上是由光的波長決定的
雖然牛頓的光概念仍然有其優(yōu)點(diǎn)，但很明顯波粒二象性原理，光的波動(dòng)理論也有其優(yōu)點(diǎn)，并且取得了牛頓粒子理論所沒有的成就。隨著 19 世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，這個(gè)謎團(tuán)只會(huì)越來越深。 .
不同波長的光在穿過雙縫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出與其他波相同的波狀特性。改變光的波長以及改變縫隙之間的間距將改變出現(xiàn)的圖案的細(xì)節(jié)。
西蒙·泊松和世界上最荒謬的計(jì)算
1818 年，法國科學(xué)院舉辦了一場揭示光的本質(zhì)的論文競賽，物理學(xué)家奧古斯丁·讓·菲涅爾決定參賽。在那次競賽中，他寫了一篇論文，定量地詳細(xì)描述了光的波動(dòng)。理論，解釋了惠更斯的波動(dòng)原理和楊氏干涉原理。他還能夠在這個(gè)框架內(nèi)解釋衍射效應(yīng)，在他的論文中添加了疊加原理，這也解釋了星星閃爍的顏色。
然而，最初，委員會(huì)中的牛頓粒子思想的支持者之一西蒙·泊松（Simon ）試圖讓菲涅爾退出比賽，因?yàn)椴此烧f，根據(jù)菲涅爾理論，如果取：
單色光，
使用發(fā)散透鏡擴(kuò)大光束，
讓光束繞過球形障礙物
那么菲涅爾理論就會(huì)預(yù)測陰影中心會(huì)有一個(gè)明亮的發(fā)光點(diǎn)，而不是一個(gè)固體陰影。更糟糕的是，那個(gè)點(diǎn)會(huì)和光束在球體陰影之外的部分一樣亮。顯然，泊松根據(jù)推論，這個(gè)想法是荒謬的，因此光根本不可能具有波動(dòng)性。
弗朗索瓦·阿拉戈論證了實(shí)驗(yàn)的荒謬性
但委員會(huì)由五個(gè)人組成，其中一人是廢奴主義者、政治家、1848 年法國總統(tǒng)弗朗索瓦·阿拉戈。阿拉戈對(duì)菲涅爾的觀點(diǎn)有些信服。自己開始做實(shí)驗(yàn)：創(chuàng)建一個(gè)單色光源，將其擴(kuò)大成球形，然后將其繞過一個(gè)小的光滑球體，看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何。也許令所有人驚訝的是，阿拉戈的實(shí)驗(yàn)表明菲涅爾的觀點(diǎn)是正確的。此外，它似乎具有與未受阻擋的光相同的亮度，僅隨光的波長、與屏幕的距離和球體的大小而變化。它還包含同心的、微弱的環(huán)，這些環(huán)是由不同波前的進(jìn)一步干涉產(chǎn)生的?；莞沟南敕ㄗ罱K奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并發(fā)展成為一種成熟的理論，現(xiàn)在可以解釋諸如偏振之類的現(xiàn)象。波動(dòng)性被科學(xué)界廣泛接受。
麥克斯韋證明光是一種波
19 世紀(jì)也是電磁學(xué)領(lǐng)域進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)的輝煌時(shí)期。安培、法拉第、高斯、庫侖、富蘭克林等許多人的工作為 19 世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就奠定了基礎(chǔ)，最終形成了麥克斯韋方程組：
正如 19 世紀(jì) 70 年代所表明的那樣，麥克斯韋方程組的一個(gè)結(jié)果是，在適當(dāng)?shù)臈l件下，將會(huì)出現(xiàn)某種電磁輻射：由振蕩的、同相的電場和磁場組成的輻射，以一定的速度傳播。宇宙速度，恰好是真空速度，最后，我們得到了一個(gè)看似完整的解釋：光不僅僅是一種波，而是一種始終以宇宙速度即光速傳播的電磁波。
愛因斯坦證明光的能量是量子化的
當(dāng)然，物理學(xué)并沒有隨著經(jīng)典電磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)而終結(jié)，20 世紀(jì)初將迎來量子革命的早期階段。這一關(guān)于我們現(xiàn)實(shí)的新概念的關(guān)鍵方面之一來自阿爾伯特·愛因斯坦。他 1905 年關(guān)于光電效應(yīng)的論文將永遠(yuǎn)改變我們對(duì)光的理解。愛因斯坦使用導(dǎo)電金屬板證明，照射到金屬上會(huì)導(dǎo)致電子自發(fā)從金屬中發(fā)射出來，就好像這些電子被照射到它們身上的光“激活”了一樣，顯然，如果能量足夠，電子就會(huì)從它們所屬的金屬中脫離出來。
因此，愛因斯坦接下來的做法簡直是天才。當(dāng)他改變光的強(qiáng)度時(shí)，他注意到這改變了被踢出的電子的數(shù)量，但并沒有改變它們是否被踢出。當(dāng)他將光的波長朝相反方向改變?yōu)楦痰牟ㄩL時(shí)，他注意到電子總是被激發(fā)，無論強(qiáng)度如何。強(qiáng)度變得多么微弱和暗淡。
光似乎由單個(gè)“能量包”組成，這些能量包如今被稱為光子，它們攜帶的能量與其頻率成正比（或與其波長成反比），盡管光以波的形式傳播。當(dāng)它傳播時(shí)，它仍然像微粒（或粒子）一樣與物質(zhì)相互作用，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代的波粒二象性思想。
現(xiàn)代雙縫與現(xiàn)實(shí)的二元性
事實(shí)證明，光子、電子和所有其他粒子都表現(xiàn)出這種奇怪的波粒二象性量子行為，如果你在它們的旅程中觀察和測量它們，或者以其他方式迫使它們相互作用并交換能量和動(dòng)量，對(duì)于其他量子，它們表現(xiàn)為粒子，但如果它們不這樣做，它們就表現(xiàn)為波。這可以通過楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代版本來證明，該實(shí)驗(yàn)不依賴于單色光，甚至可以使用一次穿過雙縫的單個(gè)粒子（例如光子或電子）來完成。
如果你在粒子撞擊屏幕之前不測量它們就做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，一旦你積累了足夠多的單個(gè)量子，它們實(shí)際上會(huì)重現(xiàn)經(jīng)典的干涉圖案。亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)于大量粒子著陸的地方，表示為暗帶間隔開，很少有粒子降落在其中，這與干涉圖案的想法一致。
然而，如果你測量一個(gè)量子在旅程中是通過“狹縫#1”還是“狹縫#2”，你將不再在屏幕上看到干涉圖案，而只是兩個(gè)方塊：一個(gè)對(duì)應(yīng)于通過“狹縫#1”或“狹縫#2”的粒子。穿過第一個(gè)狹縫的粒子，另一個(gè)對(duì)應(yīng)于穿過另一個(gè)狹縫的粒子。
很多人評(píng)論說“就好像大自然知道你在看它一樣！”從某種意義上說，這種違反直覺的說法實(shí)際上是正確的。當(dāng)你不測量量子，而只是讓它傳播時(shí)。當(dāng)你測量一個(gè)量子，或以其他方式強(qiáng)迫它與另一個(gè)量子相互作用時(shí)，它的行為就像波一樣：一種經(jīng)典波，它不僅會(huì)與其他波發(fā)生干擾，還會(huì)與自身發(fā)生干擾，表現(xiàn)出衍射和疊加等波狀行為。當(dāng)你與另一個(gè)能量足夠高的量子相互作用時(shí)，你的原始量子就會(huì)像粒子一樣，遵循確定性的、類似粒子的軌跡。那么，光是波還是粒子呢？
答案是肯定的：兩者都是。當(dāng)它自由傳播時(shí)，它的行為就像波，當(dāng)它相互作用時(shí)，它的行為就像粒子。在過去的 100 年左右的時(shí)間里，人們以各種方式研究了一系列現(xiàn)象。盡管引入了隱藏變量，試圖將波粒二象性調(diào)和到一個(gè)單一的確定性框架中，但所有實(shí)驗(yàn)都表明，自然仍然是非確定性的，因?yàn)槟銦o法比你預(yù)測它更準(zhǔn)確地預(yù)測你沒有測量的東西。波粒二象性理論可以追溯到 17 世紀(jì)，當(dāng)我們?cè)噲D確定現(xiàn)實(shí)的真實(shí)本質(zhì)時(shí)，宇宙本身揭示的答案是，我們的量子現(xiàn)實(shí)同時(shí)存在，并且確實(shí)取決于我們是否測量它或與它相互作用。
