粒子和波：量子力學的核心奧秘 - Chad Orzel

完整課程請看： http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel
一個在物理學中最驚人的事實是，宇宙中的一切，從光到電子、原子，在同一時間行為既是粒子也像波動。但是物理學家是怎樣得出此令人難以置信的結論呢？Orzel談論科學家們在彼此的發現上努力，終於到達量子力學的核心奧秘。
課程設計：Chad Orzel；動畫製作：Joana Bartolomeu。

在物理學最令人驚訝的事實就是：

宇宙中的一切，從光到電子、原子，

其行為同時具備粒子及波動的特性，

所有其他怪異的東西，
你可能在量子物理中聽過，

「薛丁格的貓」、「上帝玩骰子」
及「鬼魅般的交互作用」

這一切皆因

萬物同時具備粒子及波動的特性而來。

這聽起來似乎很瘋狂，

如果環顧四周，你看到
海浪與岩石上的顆粒，

兩者之間沒有一絲相似之處，

那麼，為什麼會把它們混為一談？

物理學家並不是隨隨便便
就將這些東西混在一起看，

相反的，通過簡單的步驟，

它們被推導到宇宙的雙重性。

配合上大量的證據，就像一個拼圖。

第一個認真看待雙重性的人

是1905年的愛因斯坦，

但他的理論源於
馬克斯•普朗克早期的想法。

普朗克嘗試解釋高溫物體發出的色光，

像是燈泡的燈絲，

但要做到這一點，他運用
一招看似無望的絕招：

他說物體是由振盪的粒子組成，

振盪的粒子只會發出特定顏色的光，

能量的大小由光的頻率決定。

普朗克從來沒有對這點高興過，
但愛因斯坦將它拿來運用並發揚光大。

他運用普朗克的想法，認為光本身，

這大家都知道是一個波，其實是光子流，

愛因斯坦宣稱每個光子
都有一個單獨的能量。

愛因斯坦本人宣稱這是他
唯一真正做到的科學革命，

但它可解釋可光照射金屬表面
產生電子的現象(光電效應)。

即使憎恨這種想法的人
都不得不承認，它真的很管用。

接下來的拼圖來自英國的拉塞福。

1909年，歐內斯特•馬士登
與漢斯•蓋革為拉塞福工作，

他們對金原子發射α粒子，

並震驚地發現，
一些α粒子會反彈向後飛。

這顯示，原子的質量集中
在一個很小的核中。

在小學你看到原子卡通影片，

原子的電子軌道就像一個微型的太陽系，

這是拉塞福的原子模型。

拉塞福的原子模型還有一個小問題：
它不能持續運轉。

古典物理學告訴我們，

繞圈運動的電子必定發出光(電磁波)，

當我們發出無線電波和X射線時，
一直運用到此現象。

所以拉塞福的原子會短暫射出X射線，

在電子以螺線前進至
原子核之前就會崩潰。

不過，丹麥理論物理學家
尼爾斯•玻爾拉塞福與合作，

他指出，原子明明就存在沒有崩潰，

所以也許是物理學規則需要修改。

玻爾提出理論指出電子
位於某些特殊的軌道，

所以能不發出任何光線。

只有當電子改變軌道時，
才會吸收和發射光，

而光的頻率則取決於軌道的能量差。

就這樣，普朗克和愛因斯坦起的頭，

玻爾的原子說修正了拉塞福的問題，

並解釋了為什麼原子
只會發出特定顏色的光。

每一個元素都有其特殊的軌道，

因而其自身獨特的一組頻率。

玻爾原子模型有一個小小的問題：

無法解釋特殊軌道的形成機制。

但法國的博士研究生路易•德布羅意，

為這一切都帶來完美的解答。

他指出如果光，這大家都知道是一種波，

行為像粒子，

比如說電子，這大家都知道是一個粒子，

行為也像波一般。

如果電子也具有波動性，

就很容易解釋玻爾特殊軌道的規則了。

一旦你想像電子的行為像波動，

你就可以去尋找它的波動性。

並且在幾年內，科學家在美國和英國

都觀察到電子的波動性。

至今我們已可以非常清楚的演示這一現象：

在拍攝個別電子通過狹縫的情形，

每個被檢測到的電子都是
在特定時間出現在特定位置，

這像是粒子的行為。

但是，當你多次重複實驗，

所有的電子會形成干涉條紋，

這是波動的行為特徵。

電子的行為像波又像粒子，

這是物理學中最奇特且最強大的一點。

理查•費曼說過一句名言：

這說明了量子力學中最神秘的核心。

萬物皆遵循此一特點，

於是最後一塊拼圖就定位。