在很多人的固有思维里,电子是一种粒子,就像玻璃球那样的实体粒子。
但我要说的是:电子只能是波!
看到这里,可能你一脸茫然:物理课上难道讲错了吗?老师明明告诉我们电子是粒子,也具有波粒二象性,怎么到你这里变成波了呢?
确实,很多时候我们都会用“波粒二象性”来描述电子的特征,甚至很多人干脆直接用“既是粒子又是波”来描述电子,而著名的电子双缝干涉实验也恰恰表明了电子的波粒二象性。
为什么我还会说电子是波而不是粒子呢?
一个重要的事实是,在量子力学领域,根本不存在所谓的“粒子”这种概念。
量子力学从来没有说过某个粒子“既是粒子又是波”,也没有说过“某个粒子有时是波,有时是粒子”。
按照量子力学的诠释,电磁波与粒子从来就没有任何关系。只不过,科学家们发现电磁波的能量是离散的,不是连续的。于是科学家们把电磁波的最小能级定义为电磁波的量子,说白了就是光子。
所谓量子,通俗来讲就是最小的不可分割的物理量单位。注意,量子并不是粒子,它只是一个基本物理单位。
从量子力学创建开始,科学家们并没有说过量子化的波就是粒子。
我们都知道,电磁波的能量与其振幅成正比,那么既然能量是量子化的,意味着波的振幅也是可量化的。
但是,振幅是如何量化的呢?在早期量子力学,物理学家们对这个问题很苦恼。
物理学家们推测,一度被人们认为实实在在的粒子,可能就是由几种不同的波通过相互作用形成的一种波的集合,电子就是其中一种波,还有质子和中子形成的波,由更复杂的夸克波组成。
说白了,我们丰富多彩的世界,只不过是各种复杂的波相互作用的结果,本质来讲与我们每天看到的光并没有什么区别。
说白了,“粒子”这个概念其实是不存在的。
之所以还会出现“粒子”这个概念,只是一种通俗叫法,主要是为了方便我们从经典物理概念来理解“波”的概念,毕竟在我们的传统思维里,粒子这种东西更具体更好理解,而波显得很抽象。
实际上,在早期物理学领域,物理学家们也没有完全摆脱经典物理学的影响,那些物理学大佬也很难接受波会表现为粒子那样的特性。
虽然粒子也可以表现为离散行为,但注定无法穿过两条狭缝之后发生干涉。因此,如果我们完全排除掉粒子的概念,用波来代替粒子,事情就会变得简单很多,也直观很多。
正如物理学家德布罗意所说:所有粒子其实都是波。而德布罗意也给出了动量与波长之间的关系,为后来薛定谔方程的诞生打下基础。
薛定谔方程看起来很复杂,不过我们可以尽量通俗理解。方程中的波函数代表的是概率密度,描述的是粒子所有可能位置状态的叠加。当我们测量粒子的具体位置时,就会发生波函数坍缩,我们这种情况发生时的位置恰好就是测量过程中发现粒子的位置。这并非偶然,而是必然。
所谓的“波粒二象性”其实被很多人误解了。
本质来讲,波粒二象性其实就是“波动性”,所谓的“粒子性”还是波动性在某些条件下的表现形式罢了,更本质的东西是波动性!
从物理学层面来讲,所谓的波函数,只是一个平滑的空间函数。通俗来讲,波函数描述的是“波粒二象性”在全宇宙中的分布,我们并不知道电子的具体位置,电子可能出现在宇宙中的任何位置,而波函数描述的是粒子位置的概率分布情况,在某些位置出现的概率大小,比如说有可能分布在宇宙边缘,只不过这个概率几乎为零,我们可以认为不存在。
因此,我会说电子是波,只能是波,而不是粒子。
当我们试图测量电子的位置时,电子的波函数就会坍缩,于是我们认为在某个地方发现了电子。很多人会认为是我们的测量直接“撞到”了电子,实际上并不是这样的。
测量,并不是让电子这个“波”转换为“粒子”,因为电子只能是波,从来不会是粒子。真实情况是这样的,当我们测量时,电子只是变成了“无限定域性”的波。通俗来讲就是,电子从一个无限存在的波,或者无处不在的波,变成了一个高度局域化的波。
而现代量子场论的观点认为,所有的基本粒子,其实都是各自领域所在的基态的场受到激发而形成的。比如说,光子就是电磁场受到激发而形成的,电子就是电子场受到激发而形成的。
也就是说,一切基本粒子都是波,而所谓的粒子也只是波在某种条件下的表现形式罢了。
波,才是最根本最本质的存在形式。
一句话,电子不是粒子,只能是波!
来自:宇宙怪谈