不光是光：一切是一个波包括你

一个被称为波粒二象性的概念著名的应用于光。但它也应用与所有的事物------包括你。

13.8 — DECEMBER 15, 2022

Marcelo Gleiser

Credit: Annelisa Leinbach, Claude Mellan

关键要点

量子物理学已经重新定义了我们的物质的理解。

在20世纪20年代，光的波粒二象性被扩展到包括所有的物质对象，从电子到你。

尖端的实验现在探索生物宏分子怎样能同时既是波又是粒子行为。

1905年，26岁的阿尔伯特·爱因斯坦提出了某些相当离谱的东西：光可以既是波又是粒子。这个想法就像它听起来一样诡异的。某些是两个东西的东西怎么如此不一样呢？一个粒子是小的并被约束在一个微小空间内，而一个波是某些扩散出去的东西。粒子彼此撞击并四处散落。波折射和衍射。它们在超位中彼此叠加或抵消。这些是非常不同的行为。

隐藏在转化中

这种波粒二象性的问题是那个语言有容纳来自同一对象的两种行为的问题。毕竟，语言被建立在我们的我们看到和感受到的事物的体验和情感上。我们不能直接的看或感觉光子。我们用实验设置来探究它们的属性，通过监视器、计数器收集信息。

光子的双重行为作为一种我们怎样建立我们的实验的响应浮现。如果我们让光线通过窄缝，它将像一个波一样衍射。如果它与电子碰撞，它将像一个粒子一样散射。如此以一种我们正在问的问题的我们的实验的方式决定光的物理属性。这在物理学中引入一个新的元素：观测者的与被观测的相互作用。在更极端的解释中，我们几乎可以说实验者的意图决定被观察到的东西的物理属性------思维决定物理现实。这真的在那里，但我们能肯定说的是光以不同的方式响应我们正在问的问题。在某种意义上，光既是波又是粒子，而它两者都不是。

这把我们带到玻尔的原子模型，我们在几周前讨论过了。他的模型钉下环绕原子核的电子到特定的轨道。电子只能在这些中的一个轨道中，宛如它被设置在一个火车轨道上一样。它能在轨道之间跳跃，但它不能处在轨道之间。这怎么工作的呢？对玻尔，这是一个悬而未决的问题。答案来自于物理学直觉的一个非凡壮举，它引发了我们的世界的理解的一场革命。

一个棒球的波性质

1924年，历史学家变成物理学家的路易斯·德·布罗意十分壮观的表明了如果电子被描绘成由围绕原子核的驻波组成玻尔原子模型中的电子的阶梯一样轨道很容易被理解。这些是就像当我们摇晃另一端被绑的绳子时看到的波一样的波。在绳子的情况下，驻波模式由于沿着绳子来回移动的波之间的建设性和破坏性出现。对于电子，驻波同样的原因出现，但现在电子波像一个机器人一样靠它自己闭合，吞下它自己尾巴的神话蛇。当我们更用力摇晃绳子时，驻波的模式显示更多的峰值。一个在更高轨道上的电子响应有更多峰值的驻波。

在爱因斯坦的热情支持下，德布罗意大胆的将波粒二象性的概念从光扩展到电子，并由此扩展到每一个移动的物质对象。不仅光，而且任何种类的物质都被与波关联。

德布罗意提供了一个被称为德布罗意波长的公式来计算任何质量为m且以速度为v移动的物质的波长。他将波长λ与m和v关联，从而动量p = mv------按照关系λ = h/p，其中h是普朗克常数。对接近光速移动的物体这个公式能被细化。

作为一个例子，一个以每小时70公里的速度运动的棒球有一个与德布罗意波长相关的约为一厘米（或2.2 x 10＾-32厘米）的一万亿分之一的220亿分之一的波长。显然，那里没有多少是波，我们判断图片中的棒球为一个坚实的物体。相比之下，一个以光速十分之一运动的电子有一个大约是氢原子的一半（更准确地说，是一个原子核和一个最低能量状态的电子之间最可能距离的一半）的波长。

虽然一个移动棒球的波的性质与理解它的行为是无关的，但电子的波的性质对理解它在原子中的行为是必不可少的。然而，关键点是一切波着。一个电子，一个棒球和你。

量子生物学

德·布罗意的非凡想法已经被在无数的实验中证实。在大学物理课上我们演示电子怎样像波一样通过一个晶体衍射，由于破坏性和建设性干涉，超位创造暗点和亮点。今年分享诺贝尔物理学奖的安东·泽林格已经倡导衍射更大的物体，从足球形的碳60分子（有60个碳原子）到生物大分子。

问题是在这种一个衍射实验下生命会在量子水平上怎样行为。量子生物学是一个新的前沿，一个在那里波粒二象性在活存在物的行为中起一个关键角色。生命能生存量子超位吗？量子物理学能告诉我们某些关于生命的本质的东西吗？

https://bigthink.com/13-8/wave-particle-duality-matter/