波粒二象性：光以外的物质是否也具有这一特性？

张立武

波粒二象性是光的专属？



每次听量子力学的波粒二象性，第一个想到的就是光
难道只有光有这样的性质吗？
今天我们聊聊
德布罗意是怎么把“波粒二象性”从光推广到所有物质，又怎么打开量子力学大门的
和前几篇一样
我们先搞清楚在他之前，世界是什么样的？
在1924年以前，物理学界普遍认为：
光有时是波（干涉、衍射），有时是粒子（光电效应）
爱因斯坦说：光有波粒二象性
电子、原子这些实物粒子大家默认就是粒子
有质量、有位置、有轨迹，跟小球一样
但当时没人敢想物质也会是波

德布罗意的天才脑洞：对称性
德布罗意的思路非常简单、非常“哲学”
自然界喜欢对称，光本来被认为是波，结果发现是粒子
那电子本来被认为是粒子，会不会也是波？
于是他直接大胆提出：
不仅光，一切实物粒子（电子、质子、原子……）都具有波粒二象性
他给出的定量关系：德布罗意波长
那为什么为什么平时我们看不到“人是波”？
因为宏观物体质量太大，动量 p 极大，波长 极小极小，完全观测不到
但电子质量很小，速度一高，波长就和原子尺度相当，波的效果立刻显现
这一想法直接解释了玻尔的“量子化”
玻尔之前提出：
电子只能在某些固定轨道上运动，角动量必须量子化
但为什么只能这样？没人懂
德布罗意给出了完美解释：
电子绕原子核运动，其实是电子波在转圈
只有当轨道周长恰好是波长的整数倍时，波才能稳定叠加，不会自我抵消
这一下 玻尔的“硬性规定”变成了波的自然条件
量子化不再是人为假设，而是波动的必然结果
实验验证： 电子真的衍射了！
1927年，两个实验直接封神：
戴维森–革末实验：电子打到镍晶体上，出现衍射条纹
汤姆逊实验：电子穿过金属箔，也出现衍射环
衍射是波的铁证
电子明明是粒子，却表现出波的行为
德布罗意完全正确
况且他还直接催生薛定谔方程，打开量子力学大门
这就是“打开大门”的真正含义
德布罗意说：粒子是波
薛定谔看到后深受启发，那一定有一个波动方程描述它
于是，薛定谔推出了薛定谔方程
德布罗意先提出：物质都有波
薛定谔写出方程：这个波的数学形式叫波函数
玻恩解释：这个波不是实物波，是概率波
人话就是…
德布罗意：电子像一团云在飞
概率波：这团云不是电子本身，而是电子可能在哪的地图
云浓的地方，电子大概率在那，云淡的地方几乎不在
从此
旧量子论（玻尔那种半经典模型）退场
真正的波动力学诞生
量子力学正式建立
可以说：
没有德布罗意的物质波，就没有薛定谔方程，也就没有现代量子力学
您和普朗克都是给我饭碗的啊，不然量子报就说拜拜了（嘿嘿
总结
爱因斯坦：“我相信这一想法完全正确”
1929年，德布罗意仅凭一篇博士论文获得诺贝尔物理学奖
电子显微镜、中子衍射、量子隧穿……全部建立在物质波之上
收个尾
以前人们：
光是波也是粒子，物质只是粒子
德布罗意：
不对，物质也是波，整个微观世界都是波粒二象性的
这一步，直接把人类对微观世界的认知彻底翻篇，
所以说
他把波粒二象性从光推广到所有物质，打开了量子力学的大门
从普朗克 → 爱因斯坦 → 玻尔 → 德布罗意 → 薛定谔 → 海森堡
量子力学的大厦是这样一步步建起来的……