波粒二象性也許是整個物理學中最強大但又違反直覺的想法之一。它指出，每當量子粒子在空間中自由傳播而未被觀察和測量時，它的行為就像波一樣。，不僅會與其他量子發生衍射和干涉，還會與自身發生衍射和干涉。然而，每當同一個量子被觀察和測量，或被迫以揭示其量子態的方式與另一個量子相互作用時，當粒子沿非線性方向移動時，它就會失去波狀特性，行為就像粒子一樣。這種現象最早在 20 世紀初涉及光的實驗中觀察到留學之路，現在已知它適用于所有量子，包括電子甚至原子核等復合粒子。
但波粒二象性的故事并非始于 20 世紀初，也并非終結于 20 世紀初，而是可以追溯到幾百年前：艾薩克·牛頓時代。這一切都始于一場關于光的本質的爭論。這場爭論一直懸而未決（盡管雙方在不同時期都宣稱自己“勝利”），直到我們開始理解現實的量子本質。雖然波粒二象性源于宇宙的量子本質，但人類如何發現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）設想為一系列以球形向外傳播的波，這些波相互疊加。波動力學這一思想不僅適用于水波等標量波，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，只有當水深減小并撞擊海岸時才會發生變化。球面波不是線性的、連貫的實體，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，并發現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”，也無法解釋衍射發生的原因和方式。他的光概念無法解釋。解釋偏振的存在，當陽光從水體反射時很容易觀察到偏振。
光是一種波的想法是由惠更斯提出的，并在整個歐洲大陸廣為流傳，但由于更有名的競爭對手的存在而局限于該大陸。
牛頓：光是粒子
1704 年，牛頓發表了他的論文《光學》，該論文基于他于 1672 年首次提出的實驗。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。這是從進行的實驗中直接推論出來的，重點是折射和衍射現象。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行折射，使用間距很近的玻璃板進行衍射，以及使用各種顏色的光和顏料粉末混合在一起進行顏色混合。牛頓是第一個創造“ROY G.BIV”調色板的人，他表明白光可以分解為紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍和紫色。牛頓也是第一個意識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、反射和透射產生。
楊氏雙縫實驗
在整個 18 世紀，牛頓的思想在世界各地廣為流傳，對伏爾泰、本杰明·富蘭克林和拉瓦錫等人產生了重大影響。但在 18 世紀末，即 1799 年至 1801 年，托馬斯·楊開始對光進行實驗。在這個過程中，我們對光的理解取得了兩項重大進展。
第一個，也是最著名的進步如上圖所示：楊首先進行了所謂的雙縫干涉實驗。通過將單色光穿過兩個間距很近的狹縫，楊觀察到了一種只能用波動行為來解釋的現象：光在其產生的圖案中產生建設性和破壞性干涉波粒二象性原理，方式取決于光的顏色。楊通過定量研究進一步證明，我們感知到的光的顏色實際上是由光的波長決定的
雖然牛頓的光概念仍然有其優點，但很明顯波粒二象性原理，光的波動理論也有其優點，并且取得了牛頓粒子理論所沒有的成就。隨著 19 世紀物理學的發展，這個謎團只會越來越深。 .
不同波長的光在穿過雙縫時會表現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的圖案的細節。
西蒙·泊松和世界上最荒謬的計算
1818 年，法國科學院舉辦了一場揭示光的本質的論文競賽，物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾決定參賽。在那次競賽中，他寫了一篇論文，定量地詳細描述了光的波動。理論，解釋了惠更斯的波動原理和楊氏干涉原理。他還能夠在這個框架內解釋衍射效應，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，因為泊松說，根據菲涅爾理論，如果取：
單色光，
使用發散透鏡擴大光束，
讓光束繞過球形障礙物
那么菲涅爾理論就會預測陰影中心會有一個明亮的發光點，而不是一個固體陰影。更糟糕的是，那個點會和光束在球體陰影之外的部分一樣亮。顯然，泊松根據推論，這個想法是荒謬的，因此光根本不可能具有波動性。
弗朗索瓦·阿拉戈論證了實驗的荒謬性
但委員會由五個人組成，其中一人是廢奴主義者、政治家、1848 年法國總統弗朗索瓦·阿拉戈。阿拉戈對菲涅爾的觀點有些信服。自己開始做實驗：創建一個單色光源，將其擴大成球形，然后將其繞過一個小的光滑球體，看看實驗結果如何。也許令所有人驚訝的是，阿拉戈的實驗表明菲涅爾的觀點是正確的。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，這些環是由不同波前的進一步干涉產生的。惠更斯的想法最終奠定了堅實的理論基礎，并發展成為一種成熟的理論，現在可以解釋諸如偏振之類的現象。波動性被科學界廣泛接受。
麥克斯韋證明光是一種波
19 世紀也是電磁學領域進步和發現的輝煌時期。安培、法拉第、高斯、庫侖、富蘭克林等許多人的工作為 19 世紀最偉大的科學成就奠定了基礎，最終形成了麥克斯韋方程組：
正如 19 世紀 70 年代所表明的那樣，麥克斯韋方程組的一個結果是，在適當的條件下，將會出現某種電磁輻射：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
當然，物理學并沒有隨著經典電磁學的發現而終結，20 世紀初將迎來量子革命的早期階段。這一關于我們現實的新概念的關鍵方面之一來自阿爾伯特·愛因斯坦。他 1905 年關于光電效應的論文將永遠改變我們對光的理解。愛因斯坦使用導電金屬板證明，照射到金屬上會導致電子自發從金屬中發射出來，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。當他改變光的強度時，他注意到這改變了被踢出的電子的數量，但并沒有改變它們是否被踢出。當他將光的波長朝相反方向改變為更短的波長時，他注意到電子總是被激發，無論強度如何。強度變得多么微弱和暗淡。
光似乎由單個“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。當它傳播時，它仍然像微粒（或粒子）一樣與物質相互作用，從而產生了現代的波粒二象性思想。
現代雙縫與現實的二元性
事實證明，光子、電子和所有其他粒子都表現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量，對于其他量子，它們表現為粒子，但如果它們不這樣做，它們就表現為波。這可以通過楊氏雙縫實驗的現代版本來證明，該實驗不依賴于單色光，甚至可以使用一次穿過雙縫的單個粒子（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實驗，你會發現，一旦你積累了足夠多的單個量子，它們實際上會重現經典的干涉圖案。亮點對應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，而只是兩個方塊：一個對應于通過“狹縫#1”或“狹縫#2”的粒子。穿過第一個狹縫的粒子，另一個對應于穿過另一個狹縫的粒子。
很多人評論說“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際上是正確的。當你不測量量子，而只是讓它傳播時。當你測量一個量子，或以其他方式強迫它與另一個量子相互作用時，它的行為就像波一樣：一種經典波，它不僅會與其他波發生干擾，還會與自身發生干擾，表現出衍射和疊加等波狀行為。當你與另一個能量足夠高的量子相互作用時，你的原始量子就會像粒子一樣，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。當它自由傳播時，它的行為就像波，當它相互作用時，它的行為就像粒子。在過去的 100 年左右的時間里，人們以各種方式研究了一系列現象。盡管引入了隱藏變量，試圖將波粒二象性調和到一個單一的確定性框架中，但所有實驗都表明，自然仍然是非確定性的，因為你無法比你預測它更準確地預測你沒有測量的東西。波粒二象性理論可以追溯到 17 世紀，當我們試圖確定現實的真實本質時，宇宙本身揭示的答案是，我們的量子現實同時存在，并且確實取決于我們是否測量它或與它相互作用。
