物理群星
1924 量子力学

物质波

Matter Waves

不只是光——电子乃至一切物质都同时是粒子和波,波长等于普朗克常数除以动量。

关键人物: 路易·德布罗意

电子显微镜电子与中子衍射分析扫描隧道显微镜的理论根基

当时的困境

到 1923 年,光的处境已经足够分裂:干涉与衍射说它是波,光电效应和康普顿散射又说它是一份份的粒子。而在原子那一头,玻尔模型虽然算准了氢原子光谱,却像一条硬性规定——电子凭什么只能待在那几条特定轨道上?量子化条件是强加的,没有人说得出背后的理由。波与粒子、连续与离散,两套语言各说各话,物理学急需一座桥。

洞见时刻

德布罗意的天才在于把问题倒了过来:既然波(光)可以表现得像粒子,那粒子(电子)为什么不能表现得像波?1924 年,他在博士论文中写下 λ=h/p\lambda = h/p:一切物质都伴随一列波,动量越大,波长越短。玻尔轨道之谜随之冰释——只有周长恰好容下整数个波长的轨道,电子波才能首尾相接形成驻波,其余轨道统统被波自己「干涉」掉了。答辩委员会举棋不定,爱因斯坦读后一锤定音:「他揭开了大幕的一角。」

涟漪效应

1926 年,薛定谔顺着「既然有波,就该有一个波动方程」的提示写出了薛定谔方程,波动力学诞生,成为量子力学的通用语言。1927 年,戴维森与革末让电子束射向镍单晶,衍射花纹给出的波长与德布罗意公式严丝合缝;G.P. 汤姆孙用金属薄膜看到了同样的衍射环。物质波从思辨变成了测量工具:电子衍射、中子衍射从此成为解析晶体与分子结构的标准手段。

如果没有它

光学显微镜被可见光几百纳米的波长锁死,永远看不清病毒。电子的物质波波长比可见光短好几个数量级,电子显微镜因此能看见病毒、蛋白质乃至单个原子——解析生命分子的冷冻电镜正是它的后代。扫描隧道显微镜赖以工作的量子隧穿,本质上也是电子的波「渗」过了经典力学不许翻越的势垒。没有那个反向一问,微观世界至今仍是一片看不见的迷雾。

走近这些人