宇宙是什么

7. 量子力学的开端：光是波还是粒子？

  读到这里，大家可能会有疑问，即无线电波和可见光（统称“电磁波”）有波长可以理解，难道“电子”这种粒子也有波长吗？

电子确实具有波长。

  所有“粒子”都像“波”一样传播，所有“波”又都像“粒子”一样活动。虽然这种说法可能听起来像禅语，但是物理学中早在100年前就存在这种说法了。那也正是“量子力学”的开端。我先简单介绍一下这部分内容，之后再回到显微镜的话题上。

  量子力学这一全新力学的诞生契机是，原本被认为是波的“光”，被发现会像“粒子”一样活动。

  在19世纪末的德国，为了提高铁的冶炼效率，准确测定熔炉温度的研究非常盛行。然而，研究者从中发现了奇妙的现象，即熔炉中光的强度不会跟随温度出现连续的变化，而是表现为“离散的值”。

  物理量会连续地变化是基本常识，例如水被加热后温度的连续上升，踩油门后车速的连续提升，等等。水的温度不会从50摄氏度直接跳跃到53摄氏度，汽车的速度也不会从95千米每小时直接变为100千米每小时。

  但是，光的能量就发生了这样的现象。为了解释这一现象，德国的物理学家普朗克发表了“量子假说”。根据该假说，光的能量的数值，不过是某个特别小的系数（普朗克常数）与光的频率（与波长成反比）的乘积的整数倍。因此，这个数值不会发生连续变化，而是“离散的值”。我们也可以将“量子”理解为表示这种“离散的值”的概念。这一发现与后来出现的量子力学密切相关，所以普朗克也被誉为“量子理论之父”。

  “离散”的幅度极其微小时，若将其变化情况绘制成宏观的图像，则我们会看到连续的直线。不过，将图像放大并从微观角度观察，则会发现其变化是成阶梯状的。微观世界中似乎存在与宏观世界不同的奇妙物理法则。或者说，我们认识中的支配宏观世界的法则，只不过是微观世界中的法则（量子力学）的“近似值”。

  之前，光一直被看作“波”，将光看作“粒子”的观点则源于量子假说。这个理论被称为“光量子假说”，由爱因斯坦于1905年发表。爱因斯坦认为，“光是带有能量的粒子的聚合体”，这一构想也解开了“光电效应”现象的谜题。

  光电效应是指，用频率较高的光照射某些金属时，这些金属中的电子被激发出来并形成电流的现象。其具体内容在此就省略不谈了，总之如果光是“波”的话，那么就无法解释这一现象；但是，如果光是“粒子”，那么激发出电子的现象就顺理成章了。

  提起爱因斯坦，我们一般会想到他的相对论。不过，爱因斯坦在1921年获得诺贝尔奖的原因是对光电效应的研究，这可能会让不少人感到意外。为爱因斯坦提供启发和线索的普朗克，也因提出了量子假说，于1918年获得了诺贝尔奖。