第2章　粒子與波可以兼得

托馬斯·楊（Thomas Young）一直被人稱作世界上最后一個無所不知的人（見圖2-1）。毫無疑問，他是一位愛好廣泛、表現卓越的科學家。1773年，他出生在米爾弗頓的薩摩賽特小鎮。到14歲時，他已經熟練掌握了希臘語、拉丁語，還有十幾種古代和現代語言。

圖2-1　偉大的科學家、語言學家托馬斯·楊

破譯密碼

晚年的托馬斯·楊沉迷于解開一個時代大難題——破譯古埃及象形文字（見圖2-2）。1799年，拿破侖（Napoleon）軍隊里的士兵在埃及發現了羅塞塔石碑。后來，法軍在尼羅河戰役中戰敗，這塊刻著古老文字的石碑被運到了英國。除了古埃及象形文字，人們發現石碑還用一種可以讀懂的語言——古希臘語，復述了象形文字的內容。人們意識到，這塊石碑是解開象形文字之謎的鑰匙。1814年，托馬斯·楊的象形文字破譯工作取得了第一個重大進展，這也為法國語言學家讓-弗朗索瓦·商博良（Jean-Francois Champollion）在19世紀20年代完全破譯象形文字鋪平了道路。

圖2-2　埃及德爾巴赫里（Deir el-Bahri）的哈特謝普蘇特（Hatshepsut）神廟刻著法老圖特摩斯三世的王名框

光的波動

不過，證實光具有波動性，才是托馬斯·楊取得的最重要的成就。光能夠像波一樣運動，在現代人眼中，這是理所當然的事，但偉大的牛頓卻認為光是粒子（在托馬斯·楊生活的年代，牛頓的影響主宰著物理學研究）。托馬斯·楊通過許多實驗向人們展示，光也能產生干涉條紋，這些條紋與池塘里的水波紋十分相似，這充分說明了光具有與波類似的屬性（見圖2-3）。

圖2-3　a)楊氏雙縫干涉實驗：光從屏幕上的兩道狹縫穿過，在光線重疊的區域發生干涉，一些區域的光得到加強，另一些區域的光相互抵消；b)光的干涉條紋與池塘里的水波紋十分相似；c)把干涉光投影到屏幕上，我們就會看到一列明暗相間的區域（干涉條紋的剖面）

資料來源：圖片由PASCO Scientific公司授權使用

量子波的語言

當然，故事到此還沒完。1905年世人還見證了一個最驚人的科學進展：愛因斯坦證實，托馬斯·楊和牛頓對光的看法都是對的。光是由一種名叫光子的基本粒子構成的。但不知為什么，光卻兼有波和粒子的屬性。這個發現簡直不可思議，我們對宇宙的認識從此徹底改變，而故事的發展還遠不止于此。

路易·德布羅意（Louis de Broglie，1892—1987）是一位法國貴族，承襲了第七代德布羅意公爵的頭銜。他最初學習歷史，后來轉攻數學和物理。1924年，德布羅意在自己的博士論文里提出了一個大膽猜想：電子可能也像光子那樣具有波動性，而且電子的能量越高，電子波的波長越小。他還說，所有粒子皆是如此。這意味著物質也和光一樣，是由同時具有波和粒子兩種屬性的粒子構成的。科學家已經見識過光的奇怪行為，卻還沒見到物質也這么奇怪。如此怪異的觀點，后來竟被證實了。這成了壓垮經典物理世界的最后一根稻草，科學研究迎來了量子力學。在后來的10年里，量子理論被廣泛應用于物理和化學研究。1927年，實驗證實電子具有波動性。兩年后，德布羅意獲得了諾貝爾物理學獎。

眾所周知，抓住波粒二象性這個核心要義，是我們認識物質、認識作用力的不二法門。對我們熟悉并熱愛的這個物質世界追本溯源，你會看到由無數量子波相互干涉產生的復雜多變的條紋（見圖2-4）。

圖2-4　雕塑家朱利安沃斯-安德里亞（Julian Voss-Andreae）創作的《量子物體》。朱利安在研究生學習期間主修量子物理，曾經參與過一些開創性實驗，這些實驗表明，連巴克敏斯特富勒烯（足球烯）這樣的大分子也能產生干涉條紋。他的雕塑作品旨在幫助人們理解怪異的量子世界

借我一雙電子波眼

到了20世紀30年代中期，電子波的發現帶來了一個十分重要的技術應用——電子顯微鏡。這種技術利用電子波而非可見光成像。由于電子波的波長遠遠小于可見光的波長，電子顯微鏡的放大能力大大超過了光學顯微鏡。光學顯微鏡最多能把圖像放大2000倍，而電子顯微鏡卻能放大超過100萬倍（見圖2-5）。

圖2-5　電子顯微鏡下的各種花粉顆粒

第二次世界大戰結束后，德布羅意提議建立一個跨歐洲的科學實驗室，以促進國際合作。當時，核技術方興未艾，有了這個實驗室，科學家就可以聚在一起，共同研究、發展這項新技術。1949年12月，在瑞士洛桑召開的歐洲文化會議上，德布羅意遞交了第一份正式提案。1950年6月，在意大利佛羅倫薩召開的第五屆聯合國教科文組織大會，支持建立這樣一個研究中心。1954年，歐洲核子研究中心（CERN）成立。如今，這個組織已有22個成員國。CERN的實驗室就坐落在日內瓦市郊，橫跨法國、瑞士兩國邊界，那里建有世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機（見圖2-6）。

圖2-6　安裝在大型強子對撞機上的緊湊型介子螺線管探測器^[1]

奇怪的量子力學

奇怪的量子力學是物理學的基本組成部分，雖然我們還未能完全理解它，但它卻是許多現代技術的核心。激光、超導磁體、全息照相、計算機處理器，以及許許多多的半導體器件，全都應用了量子力學原理。這還只是冰山一角，在將來，量子理論的應用還會給我們帶來更加奇特的技術。

[1] 因無法與部分圖片的版權方取得聯系，望圖片版權方迅速與出版社聯系，我們將按照圖書圖片使用費標準支付稿酬。——編者注