所有物質都是由粒子和波組成的嗎？

波力二向性是量子力學的基石 是我們關於亞原子粒子行爲方式的現代理論 二元性指出 所有粒子都具有與之相關的波狀特性 雖然量子力學的大多數標準解釋 都將這種波狀性質視爲一種巧妙的數學技巧 用於計算粒子出現在某處或另一處的概率 但一些更激進的解釋 則將波提升爲一種真實的實體 與粒子一樣存在 其中一種被稱爲先導波理論的解釋認爲 宇宙中的每一種相互作用 都可以用一組方程式來描述 只要我們能把這些方程式算出來 1924年 法國物理學博士生路易·德布羅格利 提出物質具有波的特性 德布羅格利的靈感 來自光的波力二向性發現 幾個世紀以來 物理學家一直在爭論 光究竟是由微小粒子 還是某種波組成 根據量子力學史 19世紀中期 隨着詹姆斯·克拉克·麥克思維發現電磁場 並認識到 光是由電磁波構成的 這場爭論似乎塵埃落定 但在1899年 德國物理學家馬克斯·普朗克 試圖理解一種被稱爲黑體輻射的輻射 而他解釋這種輻射特性的唯一方法 就是允許光以離散的小塊 或量子形式發出 這意味着發出的光 既可以被描述爲粒子 也可以被描述爲電磁波 幾年後 愛因斯坦提出 不僅光的發射是量子化的 光本身也是量子化的 愛因斯坦認爲 光是由小粒子組成的 當一堆光子聚集在一起時 它們就像波一樣 這種波粒二象性雖然激進 卻可以解釋大量的實驗和觀測 普朗克和愛因斯坦提出 光的波長與其動量成反比 因此光子的動量越大 波長就越小 德布羅伊利用這一簡單的關係 提出了一個看似瘋狂的想法 光具有動量和能量 它具有波的特性 物質也有動量和能量 所以也許它也有類似波的特性 緊張之餘 德布羅格列的論文指導老師 把這個想法告訴了愛因斯坦 愛因斯坦對此表示贊同 雖然量子力學的發展 始於普朗克的工作 但其進展卻停滯了幾十年 德布羅伊的想法是 將量子理論引入現代形式 所需的催化劑 隨着波粒二象性的實現 埃爾溫·薛定諤等物理學家 可以發展出完整的量子理論 解釋原子內部電子的行爲 但問題依然存在 物質波究竟是什麼 薛定諤認爲 像電子這樣的亞原子粒子 實際上是橫跨空間的 但他的解釋與實驗並不一致 實驗表明電子是點狀粒子 後來 德國物理學家馬克思·波恩 提出了一個觀點 最終演變成了 所謂的量子力學哥本哈根詮釋 物質波是一種概率波 它指示人們下次尋找粒子時 可以在哪裏找到它們 波值高的地方 找到粒子的可能性就大 德布羅伊有不同的想法 他也認爲 波是真實存在的 但不是粒子的替代物 相反 他認爲 波與粒子並存 在空間中傳播 告訴粒子該去哪裏 沒有人能看到 粒子軌跡的真實路徑 這意味着 粒子似乎是由 量子隨機性引導的 但德布羅伊認爲 這並不涉及隨機性 相反 先導波總是知道該做什麼 德布羅格列 最終放棄了這一觀點 轉而支持波級概率的解釋 但幾十年後 美國物理學家大衛·波姆 又重新拾起了這一觀點 並將其充實爲 量子力學的完整解釋 其他物理學家 也被先導波理論所吸引 因爲它解決了困擾 哥本哈根詮釋的 一些重大哲學難題 在哥本哈根詮釋中 粒子的軌跡 存在於我們數學中 一些模糊的量子疊加中 我們並不真正知道 量子粒子到底在做什麼 我們只能猜測 某些結果發生的概率 相比之下 先導波理論的優勢在於 理論中的一切都是真實的 確定的這裏沒有概率 相反 在先導波理論中 與每個粒子相關的波 在空間中移動 做波自然會做的事情 在觀察者看來 量子隨機性 只是粒子真實軌跡 被隱藏這一事實的反應 然而 這一事實必須付出代價 當兩個粒子相互作用時 它們的先導波 會相互作用並糾纏粒子 糾纏是一個量子力學過程 在這個過程中 亞原子粒子的命運 被聯繫在一起 甚至跨越遙遠的距離 因此一個粒子的變化 會立即導致 另一個粒子的變化 而且它們必須神祕地知道 另一個粒子在做什麼 無論它們相隔多遠 這是量子力學的標準結果 並不太令人驚訝 但在先導波理論中 這種糾纏 延伸到了粒子本身的位置 由於所有粒子 都與宇宙中 所有其他粒子糾纏在一起 因此 有一個單一的波方程 可以同時描述所有粒子 並以某種方式 將它們的位置聯繫在一起 這意味着 在先導波理論中 你體內原子的運動 受到整個宇宙中 每一個粒子行爲的影響 而存在着一個個 可以將宇宙萬物 聯繫在一起的單一方程 雖然這種暗示 並沒有排除先導波理論 但它確實使這一提議 難以被接受爲 正確的物理學理論 畢竟 我們怎麼能自信地聲稱 我們已經分離了 實驗內部的所有行爲 並理解了發生了什麼 強調粒子的位置 而不是它們的速度 也使得該理論 難以與相對論完全兼容 因爲相對論認爲 位置和速度 必須同等對待 沒有這種兼容性 就很難將先導波理論 擴展到量子理論 適用的各種物理系統中 這些難題 總有一天會有答案 而在過去幾十年裏 人們對先導波理論的興趣 與日俱增 但是 在這個問題完全解決之前 玻璃二象性的現實 仍然是一個值得品味問題