第2章 粒子与波可以兼得
托马斯·杨（Thomas Young）一直被人称作世界上最后一个无所不知的人（见图2-1）。毫无疑问，他是一位爱好广泛、表现卓越的科学家。1773年，他出生在米尔弗顿的萨摩赛特小镇。到14岁时，他已经熟练掌握了希腊语、拉丁语，还有十几种古代和现代语言。
图2-1 伟大的科学家、语言学家托马斯·杨
破译密码
晚年的托马斯·杨沉迷于解开一个时代大难题——破译古埃及象形文字（见图2-2）。1799年，拿破仑（Napoleon）军队里的士兵在埃及发现了罗塞塔石碑。后来，法军在尼罗河战役中战败，这块刻着古老文字的石碑被运到了英国。除了古埃及象形文字，人们发现石碑还用一种可以读懂的语言——古希腊语，复述了象形文字的内容。人们意识到，这块石碑是解开象形文字之谜的钥匙。1814年，托马斯·杨的象形文字破译工作取得了第一个重大进展，这也为法国语言学家让-弗朗索瓦·商博良（Jean-Francois Champollion）在19世纪20年代完全破译象形文字铺平了道路。
图2-2 埃及德尔巴赫里（Deir el-Bahri）的哈特谢普苏特（Hatshepsut）神庙刻着法老图特摩斯三世的王名框
光的波动
不过，证实光具有波动性，才是托马斯·杨取得的最重要的成就。光能够像波一样运动，在现代人眼中，这是理所当然的事，但伟大的牛顿却认为光是粒子（在托马斯·杨生活的年代，牛顿的影响主宰着物理学研究）。托马斯·杨通过许多实验向人们展示，光也能产生干涉条纹，这些条纹与池塘里的水波纹十分相似，这充分说明了光具有与波类似的属性（见图2-3）。
图2-3 a)杨氏双缝干涉实验：光从屏幕上的两道狭缝穿过，在光线重叠的区域发生干涉，一些区域的光得到加强，另一些区域的光相互抵消；b)光的干涉条纹与池塘里的水波纹十分相似；c)把干涉光投影到屏幕上，我们就会看到一列明暗相间的区域（干涉条纹的剖面）
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量子波的语言
当然，故事到此还没完。1905年世人还见证了一个最惊人的科学进展：爱因斯坦证实，托马斯·杨和牛顿对光的看法都是对的。光是由一种名叫光子的基本粒子构成的。但不知为什么，光却兼有波和粒子的属性。这个发现简直不可思议，我们对宇宙的认识从此彻底改变，而故事的发展还远不止于此。
路易·德布罗意（Louis de Broglie，1892—1987）是一位法国贵族，承袭了第七代德布罗意公爵的头衔。他最初学习历史，后来转攻数学和物理。1924年，德布罗意在自己的博士论文里提出了一个大胆猜想：电子可能也像光子那样具有波动性，而且电子的能量越高，电子波的波长越小。他还说，所有粒子皆是如此。这意味着物质也和光一样，是由同时具有波和粒子两种属性的粒子构成的。科学家已经见识过光的奇怪行为，却还没见到物质也这么奇怪。如此怪异的观点，后来竟被证实了。这成了压垮经典物理世界的最后一根稻草，科学研究迎来了量子力学。在后来的10年里，量子理论被广泛应用于物理和化学研究。1927年，实验证实电子具有波动性。两年后，德布罗意获得了诺贝尔物理学奖。
众所周知，抓住波粒二象性这个核心要义，是我们认识物质、认识作用力的不二法门。对我们熟悉并热爱的这个物质世界追本溯源，你会看到由无数量子波相互干涉产生的复杂多变的条纹（见图2-4）。
图2-4 雕塑家朱利安沃斯-安德里亚（Julian Voss-Andreae）创作的《量子物体》。朱利安在研究生学习期间主修量子物理，曾经参与过一些开创性实验，这些实验表明，连巴克敏斯特富勒烯（足球烯）这样的大分子也能产生干涉条纹。他的雕塑作品旨在帮助人们理解怪异的量子世界
借我一双电子波眼
到了20世纪30年代中期，电子波的发现带来了一个十分重要的技术应用——电子显微镜。这种技术利用电子波而非可见光成像。由于电子波的波长远远小于可见光的波长，电子显微镜的放大能力大大超过了光学显微镜。光学显微镜最多能把图像放大2000倍，而电子显微镜却能放大超过100万倍（见图2-5）。
图2-5 电子显微镜下的各种花粉颗粒
第二次世界大战结束后，德布罗意提议建立一个跨欧洲的科学实验室，以促进国际合作。当时，核技术方兴未艾，有了这个实验室，科学家就可以聚在一起，共同研究、发展这项新技术。1949年12月，在瑞士洛桑召开的欧洲文化会议上，德布罗意递交了第一份正式提案。1950年6月，在意大利佛罗伦萨召开的第五届联合国教科文组织大会，支持建立这样一个研究中心。1954年，欧洲核子研究中心（CERN）成立。如今，这个组织已有22个成员国。CERN的实验室就坐落在日内瓦市郊，横跨法国、瑞士两国边界，那里建有世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机（见图2-6）。
图2-6 安装在大型强子对撞机上的紧凑型介子螺线管探测器[1]
奇怪的量子力学
奇怪的量子力学是物理学的基本组成部分，虽然我们还未能完全理解它，但它却是许多现代技术的核心。激光、超导磁体、全息照相、计算机处理器，以及许许多多的半导体器件，全都应用了量子力学原理。这还只是冰山一角，在将来，量子理论的应用还会给我们带来更加奇特的技术。
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