漫聊合集 回到“案發現場”，量子力學的詭異起源

今天咱們開始開一個大坑 說說量子力學 其實啊 網上關於量子力學的講解很多了啊 甚至量子這個概念 就像是早些年的納米一樣 出現在了各種產品的營銷裏面 現在 誰要是說不知道點量子力學 反倒顯得很奇怪了 但是啊 大多數人都是隻知道其中幾個點 比如說量子糾纏啊 量子躍遷啊等等 但是啊 你要知道 早期的科學家們 除了對於數學的理解更深一些 其實和我們今天的人 沒有太大的區別 他們不可能沒有來由的 拋出這麼一大堆新概念 就是爲了把普通人給繞暈 量子力學發展到今天 是從人們最原初 對一些很基本問題一再的追問 又得不到符合我們直覺的答案 一步一步 它才變得越來越詭異的 而那些起初發現的奇怪現象 以及人們對現象提出的假設 如果你從頭開始 跟着當時的科學家一起思考 其實是完全能理解的 所以啊 這個系列的節目 我的目標 就是回到案發現場 帶你去從頭嘗試理解 量子力學的奇怪之處 再一步步走到今天 最新的發展情況 讓你能真的理解 量子力學是怎麼一回事 當然了 有一點你不必擔心啊 我不會佔用很大的篇幅 去講解歷史 畢竟啊 咱們不是個歷史欄目 我自己看科普書的時候 其實很不喜歡作者 每次講到一個科學家 都恨不得 從他上小學時候的經歷開始講起 裏面穿插着各種 與科學無關的田野故事 我們說到相關科學家的時候 會盡量少提及這些個人的故事 他們出場的作用 只是作爲問題追問 這條整體脈絡中 穿針引線的輔助 你記不住他們的名字 都沒有關係 另外呢 既然是要從本源的問題 從頭講起 咱們就避免不了啊 其中有一些事情 你可能聽過 但是爲了照顧大多數人 咱們還是不跳過 任何一個問題的追問 量子力學 是一個被我們人類之中 最聰明的一批大腦 探索了一百多年的祕密 它所探討的 不是什麼無關痛癢的哲學問題 而是關於我們生活的這個世界 最最本源的祕密 一開始啊 其實物理學家 只是問了一些 特別基本的問題 比如說 世界上的東西 都是由什麼組成的呀 那如果原子是最小的單位 那爲什麼這個原子 和那個原子 化學性質是不一樣的呢 原子還能不能 再分解成別的東西呢 再比如 這個光到底又是什麼東西啊 這些問題 其實一直就有人在問 只不過 直到一百年前 我們纔有了足夠的技術和數學 去真正探索它們 結果這一探索 物理學家就發現 內觀世界的東西 似乎在遵循 某些非常怪異的規則 這些怪異的行爲 可不是物理學家們幻想出來的啊 它們都是實驗和邏輯推理的結果 爲了解釋 我們日常宏觀世界的 所謂正常 你就必須接受 微觀世界的不正常 換句話說 我們的正常 其實正是被這種不正常 所支撐起來的 有一些人啊 比如咱們大名鼎鼎的愛因斯坦 他就懷疑 量子世界種種詭祕的背後 必定還有一個 更深層次的 詭祕之主 它纔是這些規則之下的規則 曾經有幾十年的時間 絕大多數物理學家 都已經認爲啊 繼續深入探索量子力學的祕密 其實是徒勞的 我們應該把注意力 放在計算和應用上 畢竟現有的量子理論 已經完全夠用了 在那些年裏 物理學家可以說是上天入地 幾乎是把你能想到的 和想不到所有自然法則 都研究明白了 也利用它們 造出了很多 高精尖的科技產品 而量子力學 只是他們計算的工具而已 沒有人真正的去刨根問底 世界的本源 到底是怎麼回事 從上個世紀六七十年代開始 又有人提出了新的假說 繼續探索 那個深藏在底層的詭祕之主 新技術允許物理學家 做出各種巧奪天工的實驗 對這個祕密的探索 直到今天 也是一個非常活躍的研究領域 而當物理學家走得更遠更深之後 這種詭異的感覺 不但沒有減弱 反而還更嚴重了 那就讓我們開始一趟 對這個本源祕密的探索之旅吧 十九世紀末到二十世紀初 科學界正在悄然發生一場巨大的革命 這場革命 是經典物理學和現代物理學的分界線 牛頓和伽利略這些早先的物理學家 都做出了非常棒的工作 但是因爲他們的手段比較有限 對世界的觀察也比較被動 而十九世紀末的歐洲 物理學家們有了更精密的儀器 更復雜的實驗工具 數學也非常發達了 你像微分方程啊 統計學方程啊 包括非歐幾何 都已經非常成熟了 不過這時候的物理學 還是牛頓時代的延續 它還是經典的物理學 當時麥克斯韋的電動力學 已經深入人心 人們已經知道分子和原子的存在 熱力學也都是明明白白的了 物理理論自帶一種美感 而且公式和實驗結果還特別的吻合 那個時候物理學家們講述的東西啊 其實就是我們在高中階段 學習的所有物理知識 當時的物理學家看待世界 已經不再是充滿好奇和敬畏之心了 他們認爲 世間所有的自然現象 我們已有的理論都可以解釋 比如說光 光到底是什麼東西呢 它的顏色是怎麼來的呢 人們通過麥克斯韋的電動力學 馬上就知道了 光其實就是電磁波 不同的顏色 其實就是不同的波長和頻率 人們知道光走直線 也可以互相交叉 它還具有能量 紐頓還知道 太陽光不是單純的白色 還可以分解成不同的顏色 等等等等 但是啊 那個時候的我們 還是太無知 太自大了 彷彿是命運給人類選了一個特殊的日子 1900年元旦 就在世紀之交 熱力學之父 開爾文男爵威廉·湯姆森 在一個演講中說到 在已經基本建成的物理學大廈中 後輩物理學家 只需要做一些零零碎碎的修補工作 就可以了 不過呢 在物理學晴朗天空的遠處 還有兩朵小小的 讓人不安的烏雲 這兩朵烏雲都和光有關 第一個呢 是光速爲什麼在各個方向都不變 我們知道啊 這個導致愛因斯坦發現了狹義相對論 另外一個 就是關於黑體輻射 可能黑體這個東西啊 和你的想象有點出入啊 黑體其實也發光 只是它不反射別的光 它發出的所有的光呢 都是它自身的光 你像太陽啊 燒紅的烙鐵啊 這些東西都是近似的黑體 黑體發出的光 因爲不是反射的嘛 全部都是由它的熱量導致的 也就是熱輻射 物理學家就發現啊 黑體熱輻射的光譜 跟它具體是個什麼東西沒有關係 完全由溫度決定 你看一眼它發光的顏色 就知道它的溫度是多少 咱們知道啊 黃顏色代表溫度稍微低一點 而藍色的火焰溫度更高 就是這麼個道理 當我們給定一個溫度 物理學家就能夠非常精確地告訴你 黑體輻射光的顏色 這個顏色呢 也就是頻率 它們能給你精確地描述 這個頻率的分佈曲線 那麼問題來了啊 曲線爲什麼長成這樣呢 它的背後被什麼數學公式支配呢 當時的物理學家相信 世間萬物的運行規則 背後都一定有一個公式在支配 這種思考方式 其實是牛頓留給物理學最大的饋贈 那既然有了光譜曲線 物理學家就決定 把公式給它推導出來 當時的熱力學和統計物理學 都已經非常發達了 物理學家們就假設啊 黑體的光 是來自其中的電子振動產生的電磁波 那咱們就用統計力學算一算 這個公式就能推導出來了 不過誰也沒想到 物理學居然在這裏失敗了 沒有一個理論 能解釋黑體的發光曲線 特別是在高頻率 也就是紫外線以外的地方 有一些理論認爲 黑體發出的能量 在這個地方應該是無限大的 這個顯然是不可能啊 所以呢 當時的物理學家 就把這個理論難題稱爲紫外災難 這個就是經典物理學的終結 也正是量子力學的開端 1900年 物理學家普朗克他就思考啊 既然物理解釋不了紫外災難 那咱們就先完全不管物理學 先在數學上給它湊一個公式出來 來描述這個曲線 咱們之前也跟你說過啊 物理學家就特別喜歡 先觀察現象 總結出一個規律 然後就參考這個規律 湊出一個公式來 公式湊出來之後 再做做計算和變形 最終呢 在變形完成的公式裏 尋找大自然給出的底層規律 上一期我們說的E等於MC方 就是這麼推出來的 普朗克啊 就有如神助 竟然真的湊出來了一個公式 可是呢 從物理上來說啊 這個公式是解釋不通的 他苦苦思索了好幾個月 最後發現啊 必須滿足一個物理假設 這個公式才能推導出來 這個假設是這樣的 電子振動產生無線電波的能量 它不是連續的 而應該是一份一份的 普朗克規定 每一份輻射能量的最小單位 是由光的頻率決定的 這個公式呢 就是E等於HF 這裏的F呢 說的是頻率 H是一個常數 也就是大名鼎鼎的普朗克常數 有了這個假設啊 高頻率輻射光的一份能量 它就很大了 那根據熱力學 它出現的概率就比較低 所以呢 高能輻射就沒有那麼多 這樣就避免了紫外災難 不過你可別忘了 這個公式是從數學的角度硬湊出來的 普朗克並不知道 那個所謂的一份一份的能量 到底意味着什麼 因爲啊 它不符合當時任何的物理理論 也完全不符合人們的直覺 後來用理論解釋它的人 是愛因斯坦 他所用到的實驗 叫做光電效應 咱們來說說這個光電效應啊 它是說啊 如果你把一束光照射在一塊金屬板上 有的時候呢 金屬板會往外發射電子 那從表面上看呢 這還挺容易理解的啊 光畢竟是電磁波嘛 它有能量 電磁波的能量轉化爲電子的動能 電子就飛出去了 不過啊 奇怪的是 這個電子怎麼往外飛 和光的強度沒有關係 只和光的顏色 也就是它的頻率有關係 這就好比說 紅色的光 你不管多亮 也不能把電子給照出來 而你要用紫光 哪怕光線很弱很弱 電子也能飛出來 這個現象 就沒有辦法用經典物理學解釋了 經典物理學裏 麥克思維的理論中 電磁波的能量 只和強度有關 和頻率沒有關係 那個時候 頻率隻影響光線的顏色 1905年 愛因斯坦呢 就發表了一篇重要的論文 叫《關於光的產生和轉變的 一個啓發性觀點》 說的就是光電效應 愛因斯坦說 電子之所以 非得遇到高頻率的光才能跑 這是因爲光不是連續的 而是一份一份的 普朗克不是說了嗎 光的一份能量 E等於H乘以F 頻率越高 能量就越大 所以呢 高頻率的光 一份的能量才足夠大 才能把一個電子打出來 而低頻率的光 每一份的能量都很小 無論你積累了多少份 這樣很小的能量 也不能把電子打出來 高頻率的光子呢 就好像是一個鏢形大漢 哪怕是這樣的鏢形大漢很少 也就是光的總強度很低 它也能把電子給彈出去 而低頻率的電子呢 就像是一群小孩子 無論光的總強度多高 也就是小孩子有多少個 沒有任何一個小孩子 能彈得動電子 就是這麼個道理啊 這裏呢 愛因斯坦對這個實驗的描述 其實比普朗克更近了一級 普朗克說的能量是一份一份的 他描述的是黑體裏面 電子受熱振動的能量 而愛因斯坦說 這跟光是不是從黑體出來的 沒有關係 只要它是光 能量就不是連續的 是一份一份的 愛因斯坦口中的這個東西 就是光量子 愛因斯坦說 光不是連續的一片波 而是由一個一個的光子組成的 每個光子的能量 就是它的頻率乘以普朗克常數 用的還是普朗克提出的那個公式 E等於HF 愛因斯坦用這個公式 解釋了光電效應 計算結果非常的吻合 量子就此正式登場 那我們平時爲什麼感覺不到 世界是量子的呢 愛因斯坦說 因爲普朗克常數H 是一個非常非常小的數字 它等於6.626乘以10的 -34次方焦耳秒 黑體輻射和光電效應 其實都是經典物理學 解釋不了的現象 那普朗克呢 是先用湊數的方法 給了這麼一個數學模型 愛因斯坦又賦予了這個模型 物理上的意義 物理學家呢 就算正式發現了光子 今天我們看這段故事 比起後面量子力學 帶來的種種詭異 簡直就是太自然 太簡單了 但是對於當時的人來說 接受量子 其實是一件非常非常難的事 普朗克本人在此後多年裏 都沒有辦法接受光子這個概念 光量子不符合經典物理學 麥克思維方程解不出 一份一份的能量 普朗克似乎正在用一種工匠思維 來解決一個經典的物理學問題 這個呢 是一種非常樸實的 先發現問題 再解決問題的思維方式 但是隨着事情的發展 他發現自己打開了一個 潘多拉魔盒 盒子一旦打開 他可就管不了了 愛因斯坦提出了光子的概念 他肯定是新思想的擁護者吧 其實還真不是 愛因斯坦終其一生 都在反對量子力學 這個是後話了 這裏面最反直覺的矛盾 就來自於一個本源的問題 物質到底是不是無限可分的 從當時的直覺上來講 物質應該是無限可分的 你看啊 物質是分子組成的 分子是原子組成的 原子是質子 中子和電子組成的 質子和中子又是夸克組成的 那接下來很簡單的問題就是 夸克和電子 又是由什麼東西組成的呢 答案是 它們不是由別的東西組成的 現代物理學的標準模型認爲 夸克和電子是基本粒子 它們不再可分 甚至啊 它們是一個數學結構 物質該怎麼分 正是量子力學的重要開端 十九世紀末的科學家 已經明確知道了啊 物質是由原子組成的 而且還把原子給分了類 滿街獵夫就弄出來一個元素週期表 知道每種原子的化學性質 經典物理學很美好 人們並不急於知道 原子還能不能繼續往下分 這個時候 大自然就給我們人類 拋出了兩個小問題 第一個是 居里夫人等人他們發現 誘原子能自發的往外發射某種射線 居里夫人把這個現象命名爲放射性 放射性不是因爲 原子和原子之間的化學反應 而是原子自身的某種活動 科學家們就據此懷疑啊 原子內部應該還有什麼 我們沒有發現的結構 第二個問題來自於約瑟夫湯姆森 他發現 因其射線中有一種微粒 這種小顆粒 在外加的電磁場中會發生偏轉 他意識到 這種微粒是帶負電的 並且把它命名爲電子 這是人們第一次明確知道 原子之中還有別的東西 原子是電中性的 那既然電子帶負電 原子中必定還有帶正電的物質 這個呢是人們推理出來的 湯姆森就設想了一個模型啊 現在我們把它叫做 葡萄乾布丁模型 你可以想象有一個球狀的大蛋糕 上面點綴着一些小小的葡萄乾 這個布丁蛋糕帶正電 上面鑲嵌的葡萄乾帶負電 它們之間電力達成了平衡 而原子一受熱呢 電子們就會在蛋糕上振動起來 形成電磁波 並且對外輻射發光 這個模型聽起來挺美好的啊 但是很快它就被證明是錯的 湯姆森的學生盧瑟福 在研究放射性的時候就發現 所謂放射性衰變 其實就是一種原子 從自己的內部分粒 變成了另外一種原子 某些放射性物質衰變的時候 會發射一種高能量的射線 盧瑟福把這種射線稱爲α粒子 這個粒子在實驗中 有一個很大的作用 科學家們把它們當作子彈來用 盧瑟福就在1911年 做了個實驗 拿這個α粒子轟炸金箔 這個金箔呢 就是薄薄的一層金質 α粒子是非常高能量的子彈啊 那實驗發現 絕大多數這樣高能的α粒子 直接就從金箔中穿過去了 好像什麼也沒有發生 而有少量的α粒子 卻發生了偏轉 還有極少量的α粒子 居然被金箔給反彈回來了 盧瑟福一開始就感到很震驚啊 一個薄薄的紙 怎麼能把子彈給彈回來呢 唯一的可能性啊 就是這張紙中散佈着一些 非常硬又非常非常小的東西 盧瑟福就斷定 那個很小又很硬的東西 是原子核 大部分子彈穿過去 少量發生偏轉 極少量發生反彈 這個就說明原子內部 根本不是什麼葡萄乾 布丁的結構 而是一個非常空曠的空間 原子幾乎全部的重量 都集中在中間很小的那個 帶正電的原子核上 只有那些碰巧靠近原子核 飛過的α粒子才能被偏轉 而只有正好撞到原子核的α粒子 纔會被反彈回來 盧瑟福根據實驗的結果 做了這麼一番計算 他得出的結論是 原子核只佔整個原子 萬分之一的大小 他轟炸了很多種物質 發現不同原子的原子核 電荷數和重量都不一樣 並且還發現了質子 和中子的存在 於是盧瑟福提出了新的原子模型 也就是我們在很多 描述物理學的示意圖中 都會看到的那樣 中間一個帶正電的原子核 周圍飛着幾個帶負電的電子 不過很不幸 這個模型還是錯的 以至於後來很多教科書上 都不讓用這個示意圖了 盧瑟福的模型存在着兩個很大的問題 第一個問題是 電子帶負電 原子核帶正電 而正負電互相吸引 那爲什麼電子 不會被吸引掉到原子核裏面去呢 盧瑟福一開始說 這個是因爲電子在繞着原子核 做圓周運動 就好像行星繞着太陽轉一樣 離心力平衡了吸引力 但是這個解釋是錯的 電子在做圓周運動 等於它是不斷的改變速度的方向 而麥克思維電動力學 告訴我們 帶電物體的變速運動一定會產生 輻射 從而損失能量 計算表明 電子應該一邊轉圈一邊輻射 一邊掉落 它可以在短短的10的-12次方秒內 就掉到原子核裏面去了 而行星之所以 可以圍繞恆星運動而不掉下去 是因爲它們幾乎 都是電中性的 這是第一個問題 還有第二個問題是 原子的確會對外輻射 但是原子輻射的光譜很獨特 它不是連續的 如果你去隨便搜索一下 這種原子的光譜 就會發現 每一種特定原子的光譜 都是由一些好像有點規律 又好像沒那麼規律的線組成 這個光譜 後來也成了我們研究遙遠星體 構成成分的重要武器 當時有一位老師 找到了氫原子輻射光譜的一個規律 不過呢 這位叫巴爾默德老師 他是弄出了一個公式 但是這個公式純粹是湊數湊出來的 沒有人知道 它背後的物理學意義是什麼 我們需要一位物理學家 來賦予這個公式意義 1912年量子力學未來的掌門人 尼爾斯·波爾出手了 他就拿着巴爾默湊出來的這個公式 突然就想起了 普朗克和愛因斯坦量子化 這個動作 於是當下就決定 把原子中電子的軌道也給來個量子化 你看啊 我們在節目裏 把普朗克、愛因斯坦和波爾的工作連起來說 你會覺得 波爾去參考他們兩個的工作成果 還挺自然的 但其實在當時來看 波爾能想到這一點是非常不容易的 首先就是他們的工作 之間相隔着將近十年的時間 其次呢 愛因斯坦他們說的那可是關於光的事 而在這裏波爾研究的 可是關於原子的事 那個時候可沒有人覺得 光和原子有啥關係呢 我們來看看 波爾是怎樣思考的 他一共提出了三個假設 第一個假設 電子平時是按照特定的軌道運動的 每個軌道都有自己的能級 這個能級和軌道量子數 n的平方成反比 這裏的數學聽不懂 沒有關係啊 咱們往下聽 第二 電子在同一個軌道中運動的時候 並不會向外輻射能量 那爲什麼不會向外輻射 他沒有給出解釋啊 但至少我們能反推 電子一定不是圍繞着原子核 做圓周運動的 因爲那樣的話它必然輻射能量 第三個假設 也是最重要的一個假設 只有當電子在兩個不同能級之間 發生躍遷的時候 它纔會輻射能量 輻射能量的大小正好是 兩個能級的能量差 同時這個輻射出來的能量 正好等於普朗克常數乘以光的頻率 波爾的這個模型完全解釋了 巴爾默的譜線公式 而且還能計算出 上沒有被發現所有的譜線 我們再倒回去看看 愛因斯坦他們的光電效應 光電效應不是說 外來一個高能量的光子 可以把電子打飛嗎 那需要多大能量呢 正好是那個電子所在能級的能量 波爾的解題思路 和普朗克愛因斯坦非常相似 都是先有實驗結果 再湊數最後再來個量子化 但是這種方法 在經典物理學中雖然很好用 在量子物理學中 就總給人出難題 比如說爲什麼軌道就只有固定了那麼幾條呢 爲什麼電子 不能待在兩個層級之間呢 爲什麼電子在軌道中 就破壞輻射能量了呢 那躍遷又是怎麼一回事呢 一個高能級的電子 爲什麼會自動的 突然的躍遷到低能級去 它躍遷的路線又是怎麼走的呢 這一切都非常的詭異 物理學家們隱隱感覺到 他們正踏上一條詭異的不歸路 量子世界 必定有一套自己獨特的規則 是經典物理學不能包括的 到目前爲止 都是實驗結果 倒逼物理學去改革 物理學家都是不得不接受一個事實 然後手忙腳亂的湊出來一個模型 很被動 這個局面可不行 理論物理學家需要主動出擊 那麼量子物理學 給理論物理學家帶來的第一個挑戰 就是光的粒子屬性 和波屬性之間的巨大矛盾 首先我們得說 爲什麼物理學家是這麼相信 光是一種波呢 理論上的原因是這樣的 麥克思維方程解出來了電磁波 然後大家一看 電磁波的速度正好是光速 所以就合理猜測 光就是一種電磁波 但是光有這個理論不行 我們還需要更直接的證據 英國的托馬斯·楊做了一個著名的實驗 叫雙縫實驗 後來呢大家就把它叫做楊氏雙縫實驗 這個實驗我們在初中的時候就做過 它呢 用蠟燭作爲光源 弄了一塊遮擋板 在遮擋板的中間開了兩條縫 燭光透過兩個縫隙之後 打在後面的屏幕上 會形成一片非常漂亮的條紋 這個條紋是明暗相間的 循環很多次 如果光是像牛頓想的那樣 只是走直線的一個一個的粒子 就如同連續發射的子彈那樣 那我們無論如何 也得不到這種條紋 子彈只會集中打在縫隙的正前方 形成兩道亮紋 但如果你把光想象成 某種波動 這個實驗結果就容易理解了 咱們用水波來打個比方你就明白了 一個水波通過兩個 孔湧出來 就在水面上形成了兩個水波 水波都有波峯和波谷 兩個波的波峯或者波谷 正好疊在一起就會加強 而反過來波峯和波谷相遇 就正好相互抵消 光波也是這樣 屏幕上的條紋亮的地方 就是兩個波加強了 暗的地方呢就是兩個波互相抵消了 這個就叫兩個波的干涉 那根據光的波長 和屏幕到雙縫的距離 干涉條紋 哪個地方明哪個地方暗 都是可以精確計算出來的 理論和實驗是完全吻合的 所以人們就認定 光它當然是一種波 可是我們前面說的黑體輻射 和光電效應的實驗 明明又說光是粒子 粒子怎麼幹涉呢 一個東西怎麼可能它又是波 又是粒子呢 這個問題還沒有得到答案 緊跟着路易·德布羅伊又發現新問題了 他讀博士期間就學習了相對論 瞭解了光量子學說 還親手參與了光電效應實驗 他還知道 波爾原子模型裏的電子行爲 很怪異 德布羅伊把這兩件事放到一起 經過思考 就提出了一個大膽的想法 他說電子的行爲這麼怪異 或許是因爲電子也有波的一面 他可能覺得 這個設想還不夠大膽 於是就在博士論文裏 提出了一個猜想的公式 這個公式是說 電子也好 質子也好 中子也好 無論什麼物質都滿足 換句話說 不只是光 所有東西都有波動性 咱們來看看他寫的這個公式 說波長λ等於h除以p 這個p呢又等於m乘以v 也就是λ等於h除以mv 其中呢 這個動量p等於mv 說的就是質量乘以速度 注意啊 這個公式自動包括了光子 根據狹義相對論 e等於mc方 光子有個等效質量m 那麼p等於e除以c 再考慮到波長λ乘以 頻率就等於光速 代入德布洛伊的公式 正好就變成了e等於hf 這麼繞了一圈 跟普朗克和愛因斯坦的公式 一模一樣 公式你聽不懂沒有關係啊 咱們直接說結論 經過這麼一番數學上的倒騰 德布洛伊等於是提出了一個 統一的物質波理論 愛因斯坦當年就說 德布洛伊的發現可能揭開了 大幕的一角 當時的雙縫實驗精度不足以 證實這個猜想 因爲電子實在是太小了 兩個縫隙要離得非常非常近 近到是電子波長的幾倍 才能產生干涉 當時的實驗設備沒有那麼精密了 於是德布洛伊想到了一個辦法 就是晶體散射 當時已經有人發現 當我們把X射線照射到晶體上 也會產生干涉的花紋 這是因爲晶體的原子 排列的非常整齊 等於是形成了一個週期性 有很多條縫的網格 X光經過這個網格 就會發生干涉 德布洛伊說也許有些晶體的結構尺度 非常小正好能跟 電子的波長做類比 1927年終於有人把實驗 給做成了 電子打在了硅晶體上 產生了非常漂亮的干涉圖案 人們就根據這個實驗 算一算硅原子之間的距離 再算一算電子的波長 再比較一下生成的干涉圖案 結果非常吻合 絲毫不差 所以電子真的是波 德布洛伊做到了這一點 說電子和光子其實是一回事 這個就是著名的 波力二向性的由來 但是我們仔細想想 物質既是波又是粒子 這個是什麼樣的一種行爲呢 如果電子就是一個小點 它是怎麼個波動法呢 那如果電子根本不是一個點 而是一片波動的雲 那爲什麼我們每次 都正好捕捉到一個點呢 從一片雲到一個點 這個瞬間的變化 又是怎樣發生的呢 我們沒有辦法直接觀察電子 就只能觀察它的行爲 這就還得通過實驗 1961年 物理學家終於用電子做成了雙縫實驗 甚至做到了 每次只發射一個電子 更詭異的結果出現了 哪怕每次只發射 這麼一個電子 當我們積累的電子多了以後 屏幕上也出現了干涉條紋 那所謂波的干涉 是從兩條縫出來的兩個波 互相疊加的結果 那一個電子怎麼能互相干涉呢 唯一的可能 是這個電子同時通過了 兩條縫 自己和自己發生了干涉 那這個波就和我們理解的 空間上發生波動的水波 完全不是一回事了 好了這下子 量子力學的潘多拉魔火 被正式打開了 如果說當時的物理學家已經被整蒙了 那後面量子世界 一系列更加詭異的現象 真的會讓他們無比懷念這個單純的時代 總結一下今天的內容吧 黑體輻射 原本只是物理學勤工之上的 一小片烏雲 但是物理學家們看到它逐漸飄遷 忽然就發現 它哪裏是一小片烏雲 而是一團閃電雷鳴的暴雨雲團 從這個小小的問題出發 人們揭示了電子光的 玻璃二象性 但這並不是終點 而是一個讓烏雲越來越大的起點 科學家們發現了電子的波動性 但電子又到底是什麼呢 電子爲什麼又能自己和自己干涉呢 一個答案帶來的 不是問題的終結 而是更多的問題 物理學面臨了一次大的危機 但是危機之後 我們會迎來一個嶄新的世界 這個新世界的大幕 剛剛被揭起一個小角 後面更精彩的故事 咱們下期再接着聊