购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

一切都由波构成:分子的干涉

如果所有的物质都是由具有波的特性的粒子构成的,那为什么我们看不到狗绕过树的衍射?如果一束电子可以从原子衍射出两行,那为什么一只狗不能同时绕着树的两边跑并在树后抓住兔子呢?答案是波长不同:就像前面讨论过的声波和光波一样,狗和电子遇到障碍物时的行为有极大不同是因为它们的波长不同。波长的长短是由动量决定的,而一只狗的动量比一个电子的动量大得多。

物质的波长等于普朗克常数除以动量,而动量等于质量乘以速度。普朗克常数是个很小的数,但一个电子的质量也很小——大约为10 -30 千克(0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 001千克)。戴维孙和革末的电子们轻快地以每秒600万米的速度运动,它们的波长大约为0.1纳米(0.000 000 000 1米)。这个波长非常短,但大约是两个镍原子之间的距离的一半,正好适合来观察衍射(就像波长为0.5米的声波很容易在通过1米宽的门时发生衍射)。

另一方面,一只重50磅(约20千克)的狗在散步时的波长大约为10 -35 米(0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01米),或者说只有戴维孙和革末的电子波长的千万分之一的十亿分之一的十亿分之一。这和一棵树的宽度相比如何呢?嗯,狗的波长与两个原子之间的距离相比就像后者与太阳系的直径相比。我们不可能看到一只狗的波在镍晶体上衍射,就更不用说看到狗同时从树的两侧绕过了。

电子束和狗之间有这么大的差距,那么,具有可观察到的波的性质的最大物质又是怎样的呢?

1999年,维也纳大学一个由安东·蔡林格博士领导的研究小组观察到了分子的衍射和干涉。实验中的分子由60个碳原子组成,形状像一个小足球,每个分子的质量约为电子的100万倍。他们把足球形状的分子向探测器发射,当他们观察下游分子的分布时,看到的是狭窄的分子束。然后,他们使分子束通过一片中间有狭缝的硅晶片,再在狭缝的远侧观察分子的分布。如下面图片所示,有了狭缝后,最初狭窄的波峰变宽了,并在两侧有明显的突起。那些突起,就像托马斯·杨让光线通过双缝后产生的明亮光带和暗淡光带,或者像戴维孙和革末所看到的电子衍射峰,以不容置疑的方式展现了波的性质。就像光波一样,分子穿过缝隙后分散开来,相互干涉。

0

分子束穿过一排狭缝时产生的干涉图样。中心峰两侧多出来的突起是分子穿过缝隙时产生衍射和干涉的结果。[经许可转载,原图来自O. Nairz, M. Arndt, and A. Zeilinger, Am. J. Phys., 71, 319, (2003)。版权所有:美国物理教师协会。]

在随后的实验中,蔡林格的研究小组通过将48个氟原子加入原先的由60个碳原子组成的分子中,展示了更大分子的衍射。这些分子的质量大约是电子的300万倍,并成为目前有记录的、其波的性质已被直接观测到的、质量最大的物体。

随着粒子质量的增大,它的波长越来越短,我们也就越来越难看到波的直接效应。这就是为什么以前没有人见过狗从树的周围衍射,并且在将来我们也不太可能看到。然而,从物理学的角度而言,狗只不过是一堆生物分子的集合,蔡林格的研究小组已经证明了分子是有波的性质的。因此,我们可以自信地说,就像其他一切物体一样,狗也有波的性质。

“那么,它们到底是什么呢?”

“你这话是什么意思?”

“电子真的是像波一样的粒子?光子是像粒子一样的波?”

“你问错了问题。或者说,你得出了错误的答案。真正的答案是‘第三个选择’。电子和光子都是第三类物质,它们既不是波也不是粒子,而是同时具有一些波的性质和一些粒子的性质。”

“所以,它就像松兔?”

“像什么?”

“一种既有点儿像松鼠又有点儿像兔子的小动物,松兔。”

“我更喜欢‘量子粒子’这个叫法,虽然它和‘松兔’蕴含的基本思想是一样的。宇宙中的一切都是由这些量子粒子构成的。”

“这很怪。”

“哦,这只是怪事的开始……”


[1] 1纳米等于10 -9 米,或者十亿分之一米(0.000 000 001米)。 SRk9TnF6f5LA76QL6b5Wt7sD09TRlMTM2IAsi2384KX+hHTFiPOCv5Ky/GWpWBj/

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×

打开