量子力學(8)

(一)波粒二相性

量子力學極為深奧，但是其本質卻全部源自對一個實驗的不斷發揮。這個實驗就是波粒二相性實驗。

1. 光是波

在一長方形水池中豎立起一塊帶有一條縫隙的擋板，再把第二塊帶有雙縫的擋板放在它的后面。最后把第三塊擋板放在最后面(見圖1-20)。這時在第一塊擋板前面用另一擋板制造出一道水波。這時就會看到，這道水波在穿過一條狹縫后會發生衍射現象，進而再次形成一道水波向第二塊雙縫擋板移動過去。然后，當這道水波穿過雙縫擋板后由于衍射現象，會繼續出現兩道水波。兩道子水波繼續前進，就會發生相互交疊在一起的干涉現象——在波峰交疊處，水波的振幅會變得更高，在波谷的交疊處，波谷的幅度將變得更深，在波峰與波谷的交疊處，水是平的。最后當兩道波運行到第三塊擋板上時，就會在擋板上顯示出由于兩道波相互干涉后出現的波峰與波谷交替出現的條紋。如果把波峰用白色表示，把波谷用黑色表示，這個條紋就是黑白相間的干涉條紋。

圖1-20 一道水波在穿過雙縫后會相互干涉形成干涉條紋

圖1-21 如果你用一手電筒照射雙縫，你會看到與一道波穿過雙縫同樣的干涉條紋。

圖1-22 白光的干涉條紋如圖1-21，如果你用手電筒照射帶有一條狹縫的擋板，然后在光所通過的路徑上放上第二塊帶有雙縫的擋板，最后放上第三塊擋板到雙縫擋板的后面，這時你就會在第三塊擋板上看到(如同水波穿過雙縫擋板后形成的干涉條紋一樣)光所形成的干涉條紋(見圖1-22)。光所出現的干涉條紋無可辯駁地證明，光是以波的運動形態通過雙縫的。

因為只有波才具有衍射和干涉的特性，所以在第三塊擋板上出現的光的干涉條紋證明光一定是波(見圖1-22)。就是說，光是像水波一樣穿過雙縫的。

2. 光是粒子

如圖1-23所示，用一挺機關槍隨機擺動著向帶有兩條縫隙的墻壁發射子彈，這時你就會看到，凡是隨機穿過雙縫的子彈會在墻壁后面第二面墻壁上形成兩道彈痕(如同兩道條紋)。

圖1-23 當機槍子彈穿過縫隙后，會在對面的墻壁上留下兩道彈痕為了表示方便，下面用電子代替光做表述(光子與電子的特性一樣)。為了觀察電子是如何穿過雙縫的，在雙縫擋板后面照射上一束強光。這時，當你再用電子槍發射電子時，奇怪的現象出現了，你會看到電子是以一個一個的顆粒狀穿過雙縫的，然后在第二塊擋板上你不再會看到干涉條紋，而是會看到如隨機發射的子彈一樣，形成了兩道電子條紋。這兩道條紋的出現，無可辯駁地證明，電子是像子彈一樣，是以一個單一的粒子方式穿過狹縫的。因此，在照上強光后，電子在擋板上出現的兩道條紋的現象無可辯駁地證明了電子是一個單一的粒子。