物理学咬文嚼字:波也否,粒也否

作者: 曹则贤

来源: 赛先生

发布日期: 2016-08-12 06:50:03

本文深入探讨了波与粒子这两个基本物理概念,分析了它们在描述物质世界中的作用和局限性。通过历史和哲学的视角,文章展示了波粒二象性概念的发展和争议,以及科学家们在理解和描述自然现象时所面临的挑战。

波与粒子是两个用来描述物质世界的形象化概念。不管是哲学上的wave-particle duality还是字面上的wavicle,都无法掩饰我们缺乏描述自然之能力的尴尬。

波乃水之皮。宋朝翰林院大学士苏轼,号东坡居士。一日,宰相王安石讲《字说》,谓一字解作一义,如东坡的坡字,坡乃土之皮也。东坡笑道:“如荆公所言,滑字难道是水之骨吗?” 王安石一时语塞。

此段机锋千年来当作文坛轶事流传,我有幸知晓,也跟同事们聊起过。2007年夏某日,一群人在海边玩水,我的同事窦教授顿悟:“老曹,滑可不就是水之骨嘛!水中有固体,固体上有微生物附着生长,易造成滑腻效果。” 吓,古人造字,诚不我欺。

粒粒皆分明。粒,谷粒,米粒,是我们祖先最熟悉的事物。粒乃谷物的量子(quantum),“粒”字给我的感觉是那种分立的存在。一个一个的个体,有明确的隔离,合而成一个广延的世界以至于你常常看不到或者忘记那些个体的存在。古希腊人认为世界是由atom+void构成的,即由不可再分的单元及其间的缝隙构成的。唯因void的存在,才得见分立的atom;或者既然我们认定有atom,则必须连带着承认void的存在。

有光自天上来。人类作为智慧生物的一个前提是它拥有探测光的能力。所谓的optics,研究的是the nature of light and vision(光与视觉的本性),将之翻译成光学是有失偏颇的,忽略了其同眼科学(ophthalmology)的渊源。

考察一下太阳的光谱(图3),以及光在材料中引起电效应以及破坏H,C, N, O等原子之间化学键的能力,你一定理解为什么可见光的波长大约在390~780 nm之间,以及为什么波长~550 nm的绿光那么赏心悦目(图3)。

法式喜剧与斯堪的纳维亚朴素哲学。

1924年,法国贵族青年德布罗意根据光之粒子说和波动说的争论,提出若光既能是波也能是粒子的话,那个被发现快三十年的电子,以及其它的被认定是particle的存在,是否也是波?他还给出了该波之频率和波长的表达式v=E/h,λ=h/p。1927年得到的电子的(镍)晶体衍射花样被当作是电子波动性的强有力证明。

德布罗意的物质波概念当时被评价为法式喜剧 (La comédie française),毕竟拿这么个公式就想当物理学博士也太便宜了。

波与粒子的象。Wave-particle duality宣称所有的物质都既能表现出粒子性质 (properties),又能表现出波的性质。汉译波粒二象性,估计是受了佛经的影响,给人印象是说物质有粒子和波两重表象,类似观音大士既有男身版的也有女身版的。

不二智慧。一元论或许暗合东方的“大一”或者“不二”哲学观。《维摩诘经》有不二法门,超越一切分别之相, 排除执着. 道家意识到在二分思维模式下的世界里,任何事物都被我们的意识感知为有对立面的存在状态,而我们又使用对立的概念范畴来描述它,这显然未必能反映事物的本原。因此,道家强调“大一”,或者“不二”,告诫人们要摆脱机械的二分法,找到两极的契合点。

如何兼美?《红楼梦》中谜一般的人物秦可卿,字兼美,谓其风流袅娜如黛玉,鲜艳妩媚似宝钗。这样的duality相当有难度。一个微观物体,可以是波,也可以表现为粒子,于它自身倒没有什么为难处。但是,duality的思想是缺乏可操作性的,这在对散射现象的处理上可见一斑。

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